Cette thèse porte sur l'étude du composé supraconducteur ferromagnétique UGe$_2$. La croissance de monocristaux de UGe$_2$ a été réalisée dans un four tétra-arc par la technique du tirage Czochralski. Cette technique a également servie à l'obtention d'autres composés à base d'uranium, notament UCoGe et URu$_2$Si$_2$. Pour la première fois, la structure avec des ailes (wings) du diagramme de phase de UGe$_2$ a été vérifiée expérimentalement. Cette observation est une conséquence d'une température de transition ferromagnétique qui décroît par application d'un paramètre extérieur tel que la pression, et qui devient du premier ordre avant de disparaître. Le changement d'ordre se fait à un point tricritique. D'autres mesures ont porté sur la transition supraconductrice qui se produit à l'intérieur de la phase ferromagnétique. La nature volumique de la supraconductivité a été confirmé et l'accent s'est porté sur son renforcement sous champ magnétique. / Cette thèse porte sur l'étude du composé supraconducteur ferromagnétique UGe$_2$. La croissance de monocristaux de UGe$_2$ a été réalisée dans un four tétra-arc par la technique du tirage Czochralski. Cette technique a également servie à l'obtention d'autres composés à base d'uranium, notament UCoGe et URu$_2$Si$_2$. Pour la première fois, la structure avec des ailes (wings) du diagramme de phase de UGe$_2$ a été vérifiée expérimentalement. Cette observation est une conséquence d'une température de transition ferromagnétique qui décroît par application d'un paramètre extérieur tel que la pression, et qui devient du premier ordre avant de disparaître. Le changement d'ordre se fait à un point tricritique. D'autres mesures ont porté sur la transition supraconductrice qui se produit à l'intérieur de la phase ferromagnétique. La nature volumique de la supraconductivité a été confirmé et l'accent s'est porté sur son renforcement sous champ magnétique.

The antiferromagnetic coupling between a rare-earth (RE) and a tran- sition metal (TM) ferromagnet can be exploited to engineer normal state and superconducting functional devices. RE/TM ferromagnetic multi- layers were previously used as spin-mixers to generate spin-triplet su- percurrents. This was possible due to magnetic inhomogeneity present in the devices, however the precise nature of the inhomogeneity was not understood. Here we present a comprehensive study of the Ni/Gd/Ni system using a powerful element-specific measurement technique: x-ray magnetic circular dichroism. In order to analyse the experimental results we present a novel model based on the Stoner-Wohlfarth model, which shows that significant inhomogeneity exists at the Ni/Gd interfaces due to the competition between the exchange energies within the system and the Zeeman energy of the applied magnetic field. The experiment and model together provide a complete overview of the Ni/Gd/Ni system due to the breadth of temperatures and thicknesses studied. The knowledge gained from this work is then applied to designing and test- ing new spin valves based on the intrinsic inhomogeneity at the RE/TM interface, and both Ni/Gd- and Gd/Ho-based devices show reversible magnetic switching behaviour which alters the superconducting critical temperature.

Mesoscopic effects in ferromagnets could be different from mesoscopic effects in normal metals. While normal metals with a short mean-free-path do not exhibit classical magnetoresistance, weakly disordered ferromagnets with a similar mean-free-path display magnetoresistance including domain wall resistance (DWR) and anisotropic magnetoresistance (AMR). Magnetoresistance could lead to novel mesoscopic effects because the wave function phase depends on the scattering potential. In this thesis, we present our measurements of mesoscopic resistance fluctuations in cobalt nanoparticles and study how the fluctuations with bias voltage, bias fingerprints, respond to magnetization-reversal processes. The resistance has been found to be very sensitive to the magnetic state of the sample. In particular, we observe significant wave-function phase shifts generated by domain walls, and it is explained by mistracking effect, where electron spins lag in orientation with respect to the moments inside the domain wall. Short dephasing length and dephasing time are found in our Co nanoparticles, which we attribute to the strong magnetocrystalline anisotropy.

Železo-rhodium (FeRh) je látka procházející magnetickou fázovou přeměnou prvního druhu z antiferomagnetické (AF) do feromagnetické (FM) fáze, ke které dochází při zahřátí materiálu nad teplotu fázové přeměny nebo působením dostatečně velkého magnetického pole. Tato fázová přeměna je mimo jiné provázena výraznou změnou entropie, magnetizace a elektrického odporu, přičemž její tvar a poloha teploty přeměny je silně závislá na stechiometrii krystalu, na příměsích, tlaku a v případě tenkých vrstev na napjatosti vrstvy způsobené substrátem. Tato práce se zaměřuje na studium magnetotransportních vlastností drátů připravených z tenkých FeRh vrstev rostlých na substrátech indukujících různou napjatost vrstvy. Jedním z hlavních jevů studovaných v této práci je anizotropní magnetorezistance (AMR) projevující se změnou odporu pro různé natočení magnetických momentů v látce vůči směru elektrického proudu. AMR byla studována jak ve FM fázi, tak i v AF fázi FeRh. Byla změřena hodnota AMR ve vysokoteplotní FM fázi a objeveno neočekávané chování AMR ve zbytkové FM fázi v nízkoteplotním stavu. Dále byla pozorována výrazná závislost AMR na orientaci měřených segmentů vůči krystalografickým směrům FeRh.

L'état supraconducteur étant un condensat de paires de Cooper constitué d'électrons de moments et de spins opposés, il peut être fortement influencé par des effets de spin. Au cours de cette thèse, nous étudions l'effet d'un fort champ d'échange et d'un effet spin-orbite de type Rashba sur les propriétés supraconductrices. Dans une première partie, on étudie les effets associés à l'interaction entre supraconductivité et fort champ d'échange, se caractérisant par une transition de phase vers un état supraconducteur inhomogène découvert par Fulde, Ferrell, Larkin et Ovchinnikov (FFLO). On étudie tout particulièrement les fluctuations supraconductrices à l'approche de la transition de phase. On montre que ces fluctuations peuvent servir de révélateur à cette phase. Notamment, la capacité calorifique et la paraconductivité divergent de façon caractéristique à la transition vers un état modulé. On décrit également comment les effets paramagnétiques modifient les fluctuations de l'aimantation, annulant la réponse diamagnétique ou produisant des oscillations entre réponse para- et dia-magnétique. La seconde partie est dévolue aux jonctions supraconducteur-ferromagnétique (S/F). Dans les jonctions Josephson S/F/S, le champ d'échange donne lieu à des oscillations du courant critique en fonction de la longueur de la jonction, charactérisées par une alternance des états 0 et . On prédit une transition entre les états 0 et induite par la température, même dans la limite ballistique. Dans cette limite ballistique, on montre également que le courant de Josephson s'atténu sous la forme de lois de puissance en fonction de la longueur de la jonction, alors que le cas diffusif présente une atténuation exponentielle. On étudie ensuite la seconde harmonique de la relation courant-phase en présence d'une faible quantité d'impuretés. La dernière partie traite des effets de proximité lorsque les deux effets paramagnétique et spin-orbite sont présents dans une jonction Josephson. On montre que l'association d'une interaction Rashba et d'un champ d'échange induit un couplage direct entre les ordres magnétique et supraconducteur. En particulier, ce couplage permet de générer toute la dynamique magnétique par l'application d'une simple tension électrique. / The superconducting state being a Cooper pair condensate built on opposite spin and momentum electrons, it can be strongly influenced by any spin effect. In this thesis, we investigate the roles of strong paramagnetic and spin-orbit effects on superconducting properties. In a first part, the interplay between paramagnetic effect and bulk superconductivity is studied, leading to the modulated Fulde, Ferrell, Larkin and Ovchinnikov phase (FFLO phase). We focus on superconducting fluctuations near to the FFLO state. We show that these fluctuations can serve as a smoking gun for this phase. Noticeably, the fluctuation heat capacity and paraconductivity diverge in a characteristic way when approaching the phase transition towards a modulated state. Moreover, the fluctuation induced magnetization is predicted to be drastically quenched or to oscillate between dia- and para-magnetic responses. The second part is devoted to superconductor-ferromagnetic (S/F) junctions. In S/F/S Josephson junctions, the exchange field is responsible for the critical current oscillation, characterized by alternative 0- and -states, with respect to the junction length. We predict a temperature induced (0-) state transition, even in the ballistic case. Moreover, the ballistic case exhibits some power law decays of the Josephson current, in contrast to the exponentially decaying current in dirty limit. The moderately dirty limit is then investigated, and the second harmonic of the current-phase relation is established. The last part deals with proximity effects when both paramagnetic and spin-orbit interactions are present in a Josephson junction. We show that the association of both Rashba interaction and exchange field induces a direct coupling between magnetic and superconducting orders. Particularly, this coupling generates the complete magnetization dynamics by applying an appropriate d.c. voltage.

The work investigates the selective deposition of cobalt oxide via atomic layer deposition. Methoxysilanes chlorosilane and poly(trimethylsilylstyrene) self-assembled monolayers are utilized to prevent wetting of water and cobalt bis(N-tert butyl, N'-ethylpropionamidinate) from the substrate, thereby controlling nucleation on the substrate and providing a pathway to enable selective deposition of cobalt oxide. Sr and Al are deposited atop the oxide films to scavenge oxygen and yield carbon-free cobalt metal films. Thermal reduction of the oxide layer in the presence of CO and H 2 was also investigated as an alternative. Finally, we demonstrate control over the tunability of the coercivity of the resultant films by controlling the reduction conditions.

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Diese Arbeit behandelt das Wachstum des ferromagnetischen Metalls MnAs auf halbleitendem GaAs. Die MnAs-Filme werden auf GaAs mittels der Molekularstrahlepitaxie (MBE) abgeschieden. Nukleation, Entwicklung von Gitterverzerrungen, Morphologie und Grenzflächenstruktur werden in-situ während des MBE Wachstums mit Hilfe von Beugung unter streifendem Einfall (GID) und der Beugung hochenergetischer Elektronen (RHEED) untersucht. Mit azimuthalen RHEED Messungen wurden vier Abschnitte des Nukleationsprozesses von MnAs auf GaAs(001) bestimmt. GID Messungen zeigen, dass das weitere Wachstum des MnAs Films bei einer nominellen Bedeckung von 2.5 ML über die Bildung relaxierter Inseln erfolgt, welche an Größe zunehmen und schließlich einen durchgängigen Film bilden. In einem Frühstadium bildet sich ein geordnetes Versetzungsnetzwerk an der Grenzfläche, welches die Verzerrungen aufgrund der Fehlanpassung bereits vor der vollständigen Ausbildung des durchgängigen Films abbauen. Der faszinierend komplexe Nukleationsprozess von MnAs auf GaAs(0 0 1) beinhaltet sowohl Elemente von Volmer-Weber, als auch von Stranski-Krastanov Wachstum. Die nicht einheitliche Gitterfehlanpassung beträgt 0.66% entlang der [1 -1 0] Richtung und 0.54% entlang der [1 1 0] Richtung, wie sich aus den Röntgenbeugungsmessungen ergibt. Entlang der [1 1 0] Richtung wird eine hohe Korrelation der Defekte beobachtet. Ein hochgradig periodisches Versetzungsnetzwerk mit einer Periode von 4.95 +- 0.05 nm entlang der [1 1 0] Richtung wird an der Grenzfläche gebildet und relaxiert 7.5% der Fehlanpassung. Die inhomogenen Verzerrungen aufgrund dieser periodischen Versetzungen an der Grenzfläche sind auf eine Schicht von 1.6nm Dicke beschränkt. Die Fehlanpassung entlang der [1 -1 0] Richtung wird durch die Bildung eines Koinzidenzgitters abgebaut. / The present work is devoted to the growth of the ferromagnetic metal MnAs on the semiconductor GaAs by molecular-beam epitaxy (MBE). The MnAs thin films are deposited on GaAs by molecular-beam epitaxy (MBE). Grazing incidence diffraction (GID) and reflection high-energy electron diffraction (RHEED) are used in situ to investigate the nucleation, evolution of strain, morphology and interfacial structure during the MBE growth. Four stages of the nucleation process during growth of MnAs on GaAs(001) are revealed by RHEED azimuthal scans. GID shows that further growth of MnAs films proceed via the formation of relaxed islands at a nominal thickness of 2.5 ML which increase in size and finally coalesce to form a continuous film. Early on, an ordered array of misfit dislocations forms at the interface releasing the misfit strain even before complete coalescence occurs. The fascinatingly complex nucleation process of MnAs on GaAs(0 0 1) contains elements of both Volmer-Weber and Stranski-Krastanov growth. A nonuniform strain amounting to 0.66%, along the [1 -1 0] direction and 0.54%, along the [1 1 0] direction is demonstrated from x-ray line profile analysis. A high correlation between the defects is found along the GaAs[1 1 0] direction. An extremely periodic array of misfit dislocations with a period of 4.95 +- 0.05 nm is formed at the interface along the [1 1 0] direction which releases the 7.5% of misfit. The inhomogeneous strain due to the periodic dislocations is confined at the interface within a layer of 1.6 nm thickness. The misfit along the [1 -1 0] direction is released by the formation of a coincidence site lattice.

This thesis contains four studies of the effects of disorder and randomness on strongly correlated quantum phases of matter. Starting with an itinerant ferromagnet, I first use an order-by-disorder approach to show that adding quenched charged disorder to the model generates new quantum fluctuations in the vicinity of the quantum critical point which lead to the formation of a novel magnetic phase known as a helical glass. Switching to bosons, I then employ a momentum-shell renormalisation group analysis of disordered lattice gases of bosons where I show that disorder breaks ergodicity in a non-trivial way, leading to unexpected glassy freezing effects. This work was carried out in the context of ultracold atomic gases, however the same physics can be realised in dimerised quantum antiferromagnets. By mapping the antiferromagnetic model onto a hard-core lattice gas of bosons, I go on to show the importance of the non-ergodic effects to the thermodynamics of the model and find evidence for an unusual glassy phase known as a Mott glass not previously thought to exist in this model. Finally, I use a mean-field numerical approach to simulate current generation quantum gas microscopes and demonstrate the feasibility of a novel measurement scheme designed to measure the Edwards-Anderson order parameter, a quantity which describes the degree of ergodicity breaking and which has never before been experimentally measured in any strongly correlated quantum system. Together, these works show that the addition of disorder into strongly interacting quantum systems can lead to qualitatively new behaviour, triggering the formation of new phases and new physics, rather than simply leading to small quantitative changes to the physics of the clean system. They provide new insights into the underlying physics of the models and make direct connection with experimental systems which can be used to test the results presented here.