L'ensemble du travail présenté dans cette thèse est très expérimental. Différentes expériences ont été réalisées et de nombreux systèmes de chaufferette testés.Dans le cas des supraconducteurs à basse température critique, nous avons recherché une technologie de chaufferette qui soit facile à mettre en oeuvre, qui puisse être étalonnée et puisse fournir des énergies minimales de transition reproductibles. Nous avons suggéré une manière de mener le calibrage de l'énergie absorbée par le brin àtravers une étude de faisabilité. Nous avons égalementmené des études de répétabilité de l'expérience.Toutefois, nous n'avons pas pu tester dans le temps qui nous était imparti d'autres échantillons.

Les récents progrès des supraconducteurs à haute température critique (SHTC) rendent ces matériaux très prometteurs pour les applications de grande envergure. Ils montrent des propriétés stupéfiantes, particulièrement à très basse température où ils sont capables de transporter des courants extrêmement élevés. Ces conducteurs sont construits sur un substrat en alliage de nickel qui leurs permettent de supporter des efforts mécaniques considérables. Pour ces raisons, les SHTC sont à présent au cœur de nombreux projets pour bâtir une nouvelle génération d’aimants produisant des champs intenses. Ce travail est mené dans le cadre du projet Nougat dont l’objectif est la conception d’un insert générant 10 T à l’intérieur d’un aimant plus grand de 20 T. Malgré leurs remarquables propriétés, les conducteurs SHTC montrent d’importantes inhomogénéités de performance ce qui, ajouté à leur forte capacité calorifique, peut provoquer des échauffements très localisés. La transition locale du matériau vers un état dissipatif est difficile à détecter notamment à cause de la lente propagation de l’évènement. Le signal de transition risque donc d’être noyé dans le bruit de mesure et être à l’origine de dommages sévères voir irréversibles du conducteur. Pour répondre à ce problème, des électro-aimants sont fabriqués en remplaçant l’isolation électrique par un ruban métallique. Ces aimants sont appelées Bobines Métal-Isolée (BMI). Dans cette configuration et dans le cas spécifique d’une inhomogénéité sur le conducteur, le courant court-circuite le défaut en passant sur la spire suivante ce qui permet d’empêcher la destruction du bobinage. Cependant, dans ce type de bobinage, la stabilité et la linéarité du champ magnétique généré peut être un problème et les dynamiques lentes de ce type de bobine les empêchent de prétendre à être utilisé pour certaines applications. Pour des raisons pratiques, le prototype final du projet Nougat sera construit avec un bobinage métalliquement isolé mais le travail mené ici se concentre sur les bobines électriquement isolées, plus particulièrement l’étude de la transition dans le bobinage afin d’identifier des possibilités de protection fiables. Quelques résultats d’échantillons BMI sont cependant présentés pour comparaison. Dans un premier temps, les contraintes générales de conception de l’insert NOUGAT sont définies, principalement les exigences pour le conducteur et les calculs préliminaires de performance. Cette étude souligne le besoin de caractériser le conducteur SHTC sous haut champ et à basse température, dans des conditions similaires à celles du fonctionnement final du prototype d’insert. Dans un second temps, cette caractérisation expérimentale d’échantillons courts est implémentée dans un modèle pour simuler le comportement de bobines pour la construction d’aimants. L’objectif de ce modèle est d’étudier le départ de transition et sa propagation dans le bobinage. Une des particularités du modèle est la simulation de l’entièreté du bobinage dans le but de prendre en compte les inhomogénéités de performance du conducteur, dont les mesures en continu sont fournies à 77 K en champ propre par les constructeurs. Le dernier axe de ce travail est l’étude de plusieurs échantillons bobinés pour permettre notamment la comparaison entre bobinage isolé électriquement et métalliquement. Leurs comportements électrique, mécanique et thermique sont examinés ainsi que les problèmes de couplage dus à la présence d’un aimant extérieur. Les résultats expérimentaux sont comparés aux calculs préliminaires ainsi qu’aux simulations de modèle. Un protocole expérimental est également proposé pour évaluer les performances d’une bobine sans risque et est testé avec succès. / Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances.

Ce projet de thèse porte sur le développement d'un dispositif instrumental basé sur les propriétés de non linéarité intrinsèques au matériau supraconducteur YBa2Cu3O7, qui restent jusqu'à présent peu explorées dans le régime radiofréquence (RF). Ceci, dans l'objectif de contrôler la commutation d'antennes supraconductrices ultrasensibles dédiées à l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), de l'état supraconducteur à un état dissipatif. L'implémentation des antennes SHTC en imagerie permet d'atteindre les plus grandes sensibilités de détection observées actuellement en IRM à champ clinique, ce qui ouvre la voie au développement de l'imagerie moléculaire d'agents de contraste. Leur utilisation demeure cependant trop minoritaire et ce, entre autre, à cause de l'incompatibilité de la mise en œuvre des antennes YBa2Cu3O7 avec les méthodes de détection quantitative actuellement implémentées en imagerie moléculaire. Comme les techniques habituelles de découplage d'antennes ne sont pas transposables aux matériaux supraconducteurs, l'inactivation des antennes YBa2Cu3O7 à des échelles de temps compatibles avec une séquence IRM (< 1 msec) est un véritable défi, à la fois scientifique et technologique. Ce travail de recherche a pour but d'évaluer les performances de matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l' YBa2Cu3O7 en champ magnétique et dans le domaine des RF, en fonction de leurs propriétés nano-structurales et géométriques, et de développer un système permettant une commutation ultra rapide (ms) de l'état supraconducteur à l'état dissipatif et réciproquement, afin d'éviter le phénomène de concentration du flux magnétique lors de la phase émission, et de préserver la sensibilité du résonateur supraconducteur lors de la phase détection. / The aim of this work is to develop an instrumental device based on the nonlinear behaviour of superconducting materials such as YBa2Cu3O7 as a function of the emitted rf power, with the objective of controlling the switch between the zero resistance state and a dissipative state. This will then be applied to superconducting ultra-sensitive coils dedicated to magnetic resonance imaging (MRI). The implementation of HTS coils for biomedical imaging improves the sensitivity of the acquired images in standard clinical MRI devices. The superconducting coils are currently not implemented because of their incompatibility with quantitative detection methods used in molecular imaging today. As usual decoupling techniques for pick-up coils are not transferable to superconducting materials, the inactivation of superconducting YBa2Cu3O7 coils is a technical and a scientific challenge. The overall objective of this research work is to evaluate the performance of HTS materials in non-zero magnetic fields, in the radiofrequency regime, as a function of the nanostructural and geometric attributes of the material. Based on this, I shall develop a system for ultra-fast switch (msec) from the superconducting state to the dissipative state and vice versa, to avoid the phenomenon of of magnetic flux concentration during the emission phase.

En chargeant en courant une inductance supraconductrice, on stock de l’énergie magnétique. Ce principe est appelé SMES pour Superconducting Magnetic Energy Storage. Ce type de dispositifs a une densité d’énergie relativement faible mais peut avoir une densité de puissance élevée. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet BOSSE, qui vise à mettre au point un démonstrateur de SMES dans la gamme du MJ. Ce SMES sera à la fois plus compacte que ses prédécesseurs et battra le record actuel d’énergie spécifique d’un bobinage supraconducteur en atteignant 20 kJ/kg. Cet objectif sera atteint grâce à l’utilisation de supraconducteurs haute température critique de seconde génération, dits conducteurs « REBCO ».Cette thèse aborde de manière générale la problématique du design de SMES et propose des éléments de réflexion et des solutions pour un pré-design rapide du bobinage d’un SMES. Le design du SMES à haute densité d’énergie du projet BOSSE est détaillé.Des éléments modulaires (galettes de ruban REBCO) du SMES ont été fabriqués et testés en champ propre et sous champ magnétique externe. Les méthodes et les résultats de détection de transition des galettes de l’état supraconducteur vers l’état normal sont présentés. Ces détections ont permis de garantir l’intégrité des galettes REBCO lors de transitions, même à très forte densité de courant (980 A/mm2 dans le conducteur nu).Ce travail est soutenu par la DGA (Direction Générale de l’Armement). / Magnetic energy is stored when a superconducting inductance is fed with current. This principle is called SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). This kind of device has a relatively low energy density but can have a high power density. This PhD work has been conducted in the frame of the BOSSE project with the objective to develop a SMES demonstrator in the MJ range. This SMES will be especially compact and will reach a specific energy of 20 kJ/kg of winding, which is 50 % over the current world record for a superconducting coil. This performance is made possible by the use of 2nd generation high critical temperature superconductors, so-called “REBCO” conductors.This work tackles the general problematic of SMES design and proposes elements of reflection and solutions for fast pre-design of a SMES winding. The design of the high specific energy SMES of the BOSSE project is presented in detail.Modular elements (pancakes of REBCO tapes) of the SMES have been manufactured and tested in self-field and under background magnetic field. During these tests, transitions from superconducting state to normal state have been detected. These early detections have prevented the pancakes to be damaged when transitions occurred, even at very high current density (980 A/mm2 in the bare conductor). The measurement method is presented, as well as the results of the tests.The BOSSE project has been funded by the DGA (French Defence Procurement Agency).

Ce mémoire présente un résumé de mon travail de chercheur en théorie de la matière condensée. Je présente tout d'abord mon travail de doctorat sur un modèle du supraconducteur à haute température critique Y Ba2Cu3O7. Je décris aussi les calculs de la profondeur de pénétration du champ magnétique, motivés par des expériences, dans le cadre de la théorie de couplage fort électron-phonon d'Eliashberg. La deuxième partie est consacrée aux travaux effectués lors de mon séjour postdoctoral sur la durée de vie d'une quasiparticule dans une boîte quantique. Puis j'aborde le sujet des atomes ultra-froids : modes collectifs et transition BEC-BCS. A cette occasion sont entre autres présentés mes travaux sur les problèmes à trois et quatre corps en mécanique quantique, ainsi que l'équation d'état d'un condensat de bosons composites. Je passe ensuite à mes travaux sur les excitons et le calcul de bruit de courant à travers un point quantique. Enfin, je présente mes projets de recherche.

Dans cette thèse nous étudions le phénomène de la supraconductivité à haute température critique sur la base d'un modèle d'un gaz de bosons et d'électrons en interaction. Les bosons sont des paires électroniques localisées avec une forte répulsion à courte portée (coeur dur) alors que les fermions sont des électrons itinérants. En utilisant un développement en diagrammes de Feynman qui tient compte des fortes corrélations entre bosons, nous étudions le comportement du système en fonction du dopage. Nous traçons en particulier le diagramme de phase en mettant en évidence ses similitudes avec celui des supraconducteurs à haute température critique. La température d'ouverture du pseudogap T*, déterminée par l'apparition d'un creux dans la densité d'états électronique, varie en fonction du dopage (donné par la concentration totale des bosons plus les fermions) de façon opposée par rapport à la température critique T?. Cette dernière est estimée par l'échelle d'énergie de la rigidité de la phase liée à son tour au rapport entre le nombre de porteurs de charges superfluides et leur masse. L'importante variation de la masse à cause des corrélations électroniques qui deviennent de plus en plus importantes lorsque la concentration des bosons augmente, est responsable de l'augmentation de la température critique avec le dopage. Nous analysons dans ce contexte la transition graduelle entre un mécanisme de fluctuations de phase qui contrôle la supraconductivité pour des faibles dopages et un mécanisme de fluctuations d'amplitude qui détermine la transition vers la phase supraconductrice pour des dopages élevés.

Ce travail concerne l'épitaxie par jets moléculaires de films de BiSrCaCuO. On y présente un dispositif de pilotage de la croissance grâce à la diffraction d'électrons rapides RHEED, comprenant également des logiciels d'analyse permettant de corréler l'évolution du diagramme RHEED, avec les propriétés physiques (composition, structure et morphologie, transport ...). Cette analyse, appliquée au cas de films appauvris en Bi, permet de les décrire comme une nanostructure d'intercroissance, en partie ordonnée suivant un modèle " mur de briques " où deux types de nanophases alternent en quinconce : Bi-2212 et Bi-2PRQ d'épaisseur double. Selon la composition moyenne des films, trois familles de nanophases 2PRQ sont identifiées, qui correspondent à des modèles structuraux spécifiques : stoechiométriques Bi-2267, riches en Sr Bi-2446, riches en Cu Bi-2429 comportant des plans Cu2O3 de type échelles. Les conditions physiques pour la synthèse de chaque famille nanostructurée sont décrites.

L'apparition ces dernières années de supraconducteurs réalisés industriellement utilisant des composés à haute température de transition offre la possibilité de nouveaux développements en magnétisme supraconducteur. En effet ils permettent d'augmenter le champ magnétique généré en conservant une cryogénie classique à 4,2K d'une part, et ils ouvrent la voie à des développements d'aimants supraconducteurs fonctionnant entre 10 et 30K d'autre part. Les matériaux supraconducteurs à haute température critique sont alors indispensables pour dépasser les inductions magnétiques de 16 T (cas de l'insert dipolaire HTc pour le Large Hadron Collider du CERN) ou augmenter la densité spécifique d'énergie stockée dans un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, cas du projet ANR SuperSMES). Les atouts incontestables (température critique, champ magnétique critique, résistance mécanique) apportés par l'utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l'YBaCuO dans les aimants supraconducteurs demandent de relever quelques défis. Leur comportement est encore mal compris, surtout lors des transitions résistives. Arriver à protéger ces conducteurs requiert une réflexion nouvelle sur les systèmes de protection destinés à éviter les dégradations thermiques et mécaniques. La réponse à la question " peut-on utiliser ces matériaux de manière pérenne dans les aimants supraconducteurs ? " est incontournable. Des éléments de réponse sont donnés ici. L'utilisation des conducteurs est abordée à travers différentes études expérimentales permettant de mieux connaître le conducteur (caractérisation électrique et modélisation de la surface critique) d'une part et de définir les étapes clés de la fabrication des aimants supraconducteurs à haute température de transition (étude des jonctions entre conducteurs ou entre galettes) d'autre part. Cette étude a abouti à la réalisation de deux prototypes d'aimants ayant permis d'identifier les difficultés liées à l'utilisation des rubans d'YBaCuO. Un modèle thermoélectrique des supraconducteurs à haute température de transition est développé et un code numérique basé sur le logiciel de calcul par Eléments Finis CASTEM permet d'étudier le phénomène de transition résistive, ou quench, dans un conducteur et dans un aimant. Le code a été validé sur des essais réalisés au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble. Les résultats obtenus ont permis la définition des conducteurs pour les deux projets liés à la thèse et la validation de la protection.

Dans ce mémoire, nous présentons trois études effectuées sur un condensat de Bose-Einstein dans un piège très anisotrope. Nous nous intéressons en premier lieu au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dûs aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Dans une seconde partie, nous étudions théoriquement et expérimentalement le taux d'extraction et le mode spatial d'un laser à atomes extrait du condensat par un coupleur radio-fréquence. Nous concluons que les interactions sont en grande partie responsables de la divergence observée. Enfin, nous consacrons un part importante de ce mémoire à l'étude des fluctuations de phase dans un (quasi-)condensat très allongé, étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous mettons en évidence que la distribution en impulsion devient Lorentzienne en présence de fluctuations de phase importantes. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique "ordinaire", confirment la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.

L'apparition ces dernières années de supraconducteurs réalisés industriellement utilisant des composés à haute température de transition offre la possibilité de nouveaux développements en magnétisme supraconducteur. En effet ils permettent d'augmenter le champ magnétique généré en conservant une cryogénie classique à 4,2K d'une part, et ils ouvrent la voie à des développements d'aimants supraconducteurs fonctionnant entre 10 et 30K d'autre part. Les matériaux supraconducteurs à haute température critique sont alors indispensables pour dépasser les inductions magnétiques de 16 T (cas de l'insert dipolaire HTc pour le Large Hadron Collider du CERN) ou augmenter la densité spécifique d'énergie stockée dans un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, cas du projet ANR SuperSMES).Les atouts incontestables (température critique, champ magnétique critique, résistance mécanique) apportés par l'utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l'YBaCuO dans les aimants supraconducteurs demandent de relever quelques défis. Leur comportement est encore mal compris, surtout lors des transitions résistives. Arriver à protéger ces conducteurs requiert une réflexion nouvelle sur les systèmes de protection destinés à éviter les dégradations thermiques et mécaniques. La réponse à la question " peut-on utiliser ces matériaux de manière pérenne dans les aimants supraconducteurs ? " est incontournable.Des éléments de réponse sont donnés ici. L'utilisation des conducteurs est abordée à travers différentes études expérimentales permettant de mieux connaître le conducteur (caractérisation électrique et modélisation de la surface critique) d'une part et de définir les étapes clés de la fabrication des aimants supraconducteurs à haute température de transition (étude des jonctions entre conducteurs ou entre galettes) d'autre part. Cette étude a abouti à la réalisation de deux prototypes d'aimants ayant permis d'identifier les difficultés liées à l'utilisation des rubans d'YBaCuO. Un modèle thermoélectrique des supraconducteurs à haute température de transition est développé et un code numérique basé sur le logiciel de calcul par Eléments Finis CASTEM permet d'étudier le phénomène de transition résistive, ou quench, dans un conducteur et dans un aimant. Le code a été validé sur des essais réalisés au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble. Les résultats obtenus ont permis la définition des conducteurs pour les deux projets liés à la thèse et la validation de la protection.