Les circuits quantiques supraconducteurs sont étudiés dans de nombreux laboratoires. Ces recherches ont pour objectif de pouvoir construire et coupler plusieurs bits quantiques supraconducteurs pour le traitement de l'information quantique. La description théorique de ces circuits repose sur la dynamique couplée des différences de phase supraconductrice aux jonctions Josephson et des degrés de liberté associés à l’environnement électromagnétique. Cette dynamique non-linéaire a été très étudiée dans le régime classique. Les effets quantiques ont été abordés par des théories de perturbation supposant que certains degrés de liberté sont thermalisés. En revanche, il existe peu de résultats sur la dynamique quantique couplée dans un régime non perturbatif. Le but du projet de thèse sera de décrire le crossover entre les régimes classique et quantique dans le cas d’une jonction Josephson en série avec un résonateur électromagnétique. Pour cela, le candidat étudiera les équations maîtresses pour ce système par des méthodes analytiques et numériques. L’objectif à plus long terme sera de comprendre comment générer et manipuler des photons grâce au contrôle électrique résolu en temps de ces circuits. / Superconducting quantum circuits are currently investigated in many labs. An important goal of this research is to build and couple several superconducting quantum bits for quantum information processing. The theoretical description of these circuits is based on the coupled dynamics of the superconducting phase differences at the Josephson junctions and the degrees of freedom of the surrounding electromagnetic environment. This nonlinear dynamics has been much studied in the classical regime. Quantum effects have been considered by perturbative methods, assuming that some degrees of freedom are thermalized. In contrast, the coupled quantum dynamics was largely unexplored in a non-perturbative regime. The goal of the trainee will be to describe the crossover between the classical and quantum regimes in the case of a single Josephson junction coupled to an electromagnetic resonator. For this, the candidate will study the master equations for this system with analytical and numerical methods. In the long term, the aim will be to understand how to generate and manipulate photons thanks to time-resolved electric control of the circuit.

Cette thèse est consacrée au transport quantique à travers une impureté Kondo, formée dans une boîte quantique réalisée dans un nanotube de carbone. L’effet Kondo est ainsi sondé à travers deux situations : en compétition avec l’effet Josephson induit dans le nanotube par des contacts supraconducteurs et à travers son émission haute fréquence. Dans une première série d’expériences, nous avons introduit un nanotube dans un SQUID, afin de mesurer la relation entre son supercourant et la différence de phase supraconductrice à ses bornes. Nous avons mesuré cette relation lorsque les corrélations Kondo et supraconductrices sont du même ordre de grandeur et montré que l’état du système, singulet ou doublet (correspondant respectivement à une jonction 0 ou π) peut alors être contrôlé par la phase supraconductrice. Nous avons également montré que, si un deuxième niveau d’énergie participe au transport des paires de Cooper, la transition 0-π n’est plus une transition du premier ordre comme c’est le cas quand un seul niveau est impliqué. Dans la deuxième partie de la thèse, le nanotube de carbone est couplé, aux fréquences déterminées par un résonateur, à une jonction tunnel supraconductrice servant de détecteur on-chip de bruit haute fréquence. Ceci nous a permis de mesurer le bruit en émission de la boîte quantique dans le régime Kondo avec des couplages aux réservoirs plus ou moins symétriques. Nos mesures posent le problème de l’asymétrie spatiale du bruit mesuré et semblent montrer que, plus le couplage aux réservoirs est symétrique, plus la résonance Kondo est affaiblie dans une situation hors équilibre. Enfin, ce dispositif a été utilisé afin de mesurer l’émission Josephson AC d’un nanotube avec des électrodes supraconductrices, afin de voir ce que devient la compétition entre l’effet Kondo et la supraconductivité à haute fréquence. Ces mesures révèlent une diminution de l’émission Josephson alors que l’on a un maximum de supercourant. / This thesis is dedicated to quantum transport through a Kondo impurity, formed in a carbon nanotube quantum dot. We probe the Kondo effect in two situations: in competition with the Josephson effect induced in the nanotube by superconducting contacts and through its high frequency emission. In a first experiment, we have introduced a nanotube in a SQUID in order to measure its supercurrent as a function of the superconducting phase across it. We have measured this quantity in the regime where the Kondo and superconducting correlations are of the same order of magnitude and shown that the ground state of the system, singlet or doublet (corresponding respectively to 0 and π junctions), is then controlled by the superconducting phase. We have also demonstrated that, if a second energy level participates in the transport of Cooper pairs, the 0-π transition is not anymore a first order one as it is the case when only one level is involved. In the second part of the thesis, the carbon nanotube is coupled, at some frequencies determined by a resonator, to a tunnel superconducting junction which is used as an on-chip high-frequency noise detector. This enables the measurement of the emission noise of the quantum dot in the Kondo regime, with reservoirs coupled either symmetrically or not to the dot. Our measurements raise the problem of the spatial asymmetry of the measured noise and seem to show that, the more symmetric is the coupling of the reservoirs to the dot, the more the Kondo resonance is weaken in an out-of-equilibrium situation. Finally, this setup has been used in order to measure the AC Josephson emission of a nanotube contacted with superconducting electrodes, in order to extend our investigation of the competition between the Kondo effect and superconductivity at high frequency. These measurements reveal a decrease of the Josephson emission observed together with a maximum of supercurrent.

La résonance plasma Josephson a permis de détecter précisément l'évolution de la densité suprafluide hors plan dans le Bi2Sr2CaCu2O8+∂ sous-dopé en fonction du désordre cristallin. La comparaison avec plusieurs résultats de la littérature a permis de montrer que le transport des charges est réalisé par effet Josephson incohérent par opposition au cas optimalement dopé. Tandis que l'évolution des propriétés supraconductrices au sein des plans est bien interprétée dans le cadre de la théorie d'Abrikosov Gor'kov, le transport interplan des paires de Cooper est assuré par diffusion anisotrope dans la limite de Born sur les défauts présents entre les couches CuO2. Ce résultat est en accord avec la récente proposition qui relie les modulations spatiales du gap supraconducteur à la présence des défauts d'oxygène entre les plans. Concernant les propriétés de l'état mixte, la résonance plasma a pu montrer que le rajout d'une composante parallèle aux plans CuO2 du champ magnétique à un liquide de pancakes, permet d'induire des corrélations spatiales. Cet effet est dû à la réorganisation des courants supraconducteurs. Là encore, seule la résonance plasma Josephson permet de sonder l'état liquide des vortex en raison de sa grande fréquence par rapport aux mouvement de vortex.

Grâce aux avancées techniques récentes, les physiciens jouent pleinement avec la beauté de la mécanique quantique. Dans ce travail de théorie sur l'effet Josephson mésoscopique, nous exploitons les collaborations avec les expérimentateurs ainsi que les échanges entre les communautés des atomes froids et de la matière condensée. Nous considérons différents systèmes basés sur la jonction Josephson, en commençant par sa description quantique dans le régime sous-amorti. En utilisant le formalisme de Keldysh, nous obtenons les caractéristiques courant-tension du régime classique à la limite de température nulle et l'équation de Smoluchowski quantique dans la limite semi-classique. Nous étudions ensuite la dynamique quantique d'un qubit de phase réalisé avec un SQUID dans une configuration inédite où l'échappement se produit à travers deux barrières quartiques. Le taux d'échappement tunnel dans ce nouveau potentiel, calculé avec la technique des instantons, nous permet de décrire les expériences. L'électrodynamique quantique des circuits prévoit qu'un effet laser apparaît lorsqu'un qubit est couplé à une cavité résonnante. Nous considérons le cas d'un qubit de charge et celui d'un transmon qui exploite l'effet Purcell. Avec le Lindbladien nous obtenons la matrice densité dont nous dérivons le spectre du champ créé. Enfin, nous étudions un gaz d'atomes froids dans un piège circulaire comportant une barrière, créant une jonction de Bose Josephson. La physique à basse énergie est décrite à travers les fonctions de corrélation avec la théorie du liquide de Luttinger. Nous montrons que les fluctuations quantiques dans l'anneau induisent une renormalisation de l'énergie Josephson.

Courant Josephson dans une jonction "S/2DQ/S" : Nous caractérisons les effets d'Andreev croisés (CAR) dans une jonction composée de deux points quantiques couplés à deux contacts supraconducteurs. En présence d'un flux magnétique intérieur, la présence ou non de CAR influe directement sur la période d'oscillation du courant critique. Techniquement, on calcule l'énergie libre dans le formalisme d'intégrales de chemins et on utilise une approche de champ moyen pour traiter l'interaction coulombienne. On obtient ainsi le courant Josephson, le nombre d'occupation moyen et des diagrammes de phases pour la transition 0 - p. Courant dans une jonction "S/QD/S+N" : nous caractérisons la présence d'un contact normal dans une jonction de référence composée d'un point quantique couplé à deux contacts supraconducteurs. Un tel système pourrait servir à simuler la décohérence dans le transport. Nous montrons que la première harmonique du courant est déphasée en présence du contact normal. D'autres effets sur les réflexions multiples d'Andreev sont observés. Techniquement, nous utilisons le formalisme de Keldysh et une approche de champs moyens pour traiter l'interaction coulombienne. Bruit dans une fourche "nanotube de carbone-métal" : nous étudions le bruit en régime photo-assisté dans un système composé d'un nanotube de carbone de longueur finie couplé en son centre à un métal normal. Les corrélations de courant montrent les effets de l'interaction coulombienne dans le nanotube ainsi que les marches caractéristiques du régime photo-assisté.

this work deals with crystallographic texture analysis of ceramics and thin layers of YBCO, and with the texture effect on the superconducting properties, particularly on the critical current density.<br />X-ray diffraction was chiefly used, completed for specific samples by neutron diffraction and electron back scattering diffraction. We have developed the defocusing corrections needed for quantitative texture analysis of thin samples and multilayers, in the case of x-ray diffraction using the Schulz reflection geometry. Experimental conditions adapted to highly textured samples are detailed.<br />Highly textured bulk samples were elaborated by derived melt texture growth techniques. Under certain conditions, the texture is developed from the free surfaces of the sample. Generally, bulk textured samples exhibit two nearly oriented textures, which explain the relatively low measured Jcs. The "green" Y2BaCuO5 phase does not seemed textured in these samples. The texture and Jc relationship is clearly demonstrated in bulk samples, even if a quantitative description of the texture influence is still hard to establish.<br />In thin hetero-epitaxial layers, the observation of typical textures described in terms of near coincidence site lattices, allowed a quantitative texture analysis. Using a MgO(001) oriented single crystalline substrate, the interface region is very perturbated, giving rise to relatively bad superconducting properties of the layers (compared with other substrates offering better lattice mathching with YBCO). The Jc is quantitatively correlated to the texture degree of the films. Only weak volumic percentages of misorientations are necessary to strongly diminish Jc, while CuO precipitates can act in the opposite way.<br />Finally, texture analysis of experimental dispositives allows a quantitative characterisation of artificially generated misorientations, needed for the elaboration of Josephson junctions.

L'effet Josephson décrit le couplage cohérent entre supraconducteurs et le supercourant qui en résulte. D'un point de vue microscopique, il découle de l'existence d'états de quasiparticules discrets, localisés au niveau du lien faible, les états liés d'Andreev. Ils viennent en doublets dans chaque canal de conduction du lien faible, avec des énergies et supercourants opposés. Chaque doublet d'Andreev donne lieu à quatre états: l'état fondamental \left|-\right\rangle et l'état excité \left|+\right\rangle , avec une parité paire, et les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Est-il possible d'exciter les doublets Andreev? Cette thèse décrit deux séries d'expériences conçues pour répondre à cette question en utilisant l'élément Josephson le plus élémentaire, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans une première expérience, nous avons observé et caractérisé les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Comme attendu pour un système dégénéré en spin, ils ne portent pas de supercourant. Dans cette expérience, l'excitation n'était pas contrôlée mais dû au piégeage spontanée de quasi-particules parasites dans l'un des états d'Andreev. Sous certaines conditions, le temps de vie mesuré de ces états impairs peut dépasser 100 µs. La deuxième expérience est une spectroscopie photonique des états d'Andreev. Elle a été effectuée en utilisant une junction Josephson en tant qu'émetteur et détecteur microonde. Les transitions d'Andreev observées correspondent à des excitations depuis l'état fondamental \left|-\right\rangle vers l'état excité paire \left|+\right\rangle , et sont bien décrites par notre modèle quantique. Ce résultat ouvre la voie à la manipulation cohérente de ce système à deux niveaux. L'observation directe de l'état excité d'Andreev, soit par injection de quasiparticules soit par absorption de photons, conforte la théorie mésoscopique de l'effet Josephson. Cela démontre que, en plus de la différence de phase, chaque canal d'un lien faible Josephson possède un degré de liberté fermionique interne similaire à un spin un-demi.

Nous avons étudié l'action à l'échelle mésoscopique de la présence d'un supraconducteur sur la conductance d'un circuit de métal normal. Après une discussion de différentes théories concernant ce sujet, nous présentons des mesures à très basse température (20 mK) mettant en évidence l'action non locale de la supraconductivité sur la conductance métallique. Nous montrons que la conductance du métal normal est alors fortement dépendante de l'énergie des électrons, l'énergie caractéristique étant l'énergie de Thouless. Une expérience d'interférence effectuée dans la configuration Aharonov-Bohm met en évidence la portée de la cohérence quantique de paires d'électrons dans le métal normal. Nous effectuons une comparaison détaillée avec la théorie des fonctions de Green quasiclassiques. Cette comparaison met en évidence le rôle important joué par les parties extérieures de l'échantillon qui constituent les réservoirs. Nous présentons une technique originale de fabrication d'échantillons mésoscopiques hybrides de Niobium et de Cuivre. De plus, afin de pouvoir contrôler la formation des barrières tunnel, nous avons développé une vanne permettant de maîtriser l'entrée, dans un enceinte à Ultra-Vide, d'oxygène pur à partir de l'air. Nous décrivons un programme écrit en langage C++, qui permet de calculer la conductance d'un circuit hybride quelconque composé de métal normal et de supraconducteur. Dans le cas où deux supraconducteurs sont présents à des tensions différentes, l'effet Josephson alternatif module la densité d'états dans le métal normal. Nous présentons une expérience, en cours de développement, visant à mesurer les effets de ces variations de la densité d'états sur le transport.

Pour préparer les futures missions sur satellites en radioastronomie, le CNES est responsable d'un projet de ballon stratosphérique appelé PRONAOS-SMH pour lequel notre laboratoire doit construire le récepteur à 380 GHz. Ce projet est décrit dans l'introduction. Dans le premier chapitre, j'expose les bases de la supraconductivité, de l'effet Josephson et du fonctionnement du mélangeur SIS. Le chapitre II développe la technologie utilisée pour la fabrication des jonctions SIS: les principes de l'évaporation, de la pulvérisation, de la gravure et de la photolithographie y sont expliqués. Le troisième chapitre est plus particulièrement consacré à la description et à l'optimisation du procédé de fabrication des jonctions en Nb/AI-A1Ox/Nb. Des jonctions fiables de petite dimension (1 micron carré) et de forte densité de courant sont obtenues. Les études nécessaires pour parvenir à ce résultat sont détaillées. L'intégration de ces jonctions dans des récepteurs millimétriques et submillimétriques est décrite dans le chapitre IV. Les premiers résultats obtenus dans le récepteur à 380 GHz sont prometteurs : une température de bruit de 310 K DSB pour le récepteur dans son ensemble a été mesurée à 374 GHz.

Cette thèse décrit deux expériences mettant en lumière l'existence d'un degré de liberté fermionique dans l'effet Josephson: le doublet d'Andreev. Elles sont toutes les deux réalisées sur l'élément Josephson le plus élémentaire qui soit, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans la première, nous avons observé la disparition du supercourant, qui traduit le piégeage spontané d'une quasiparticule dans l'un des deux états liés d'Andreev. Dans la seconde, nous avons réalisé la spectroscopie photonique de ce système à deux niveaux, en utilisant une jonction Josephson à la fois en tant qu'émetteur et détecteur microonde. On peut bien rendre compte des spectres observés avec un modèle spin-boson incluant le doublet d'Andreev et un mode électromagnétique de l'environnement.