The irradiation of high Tc superconducting thin films with a focused electron beam, such as that obtained in a scanning transmission electron microscope (STEM), can result in the formation of a Josephson junction. The conditions required for the formation of these Josephson junctions in YBa2Cu3O7-d and related compounds are discussed as well as the physical properties of the irradiated material. From electrical transport measurements of individual Josephson junctions it was found that these junctions have a Superconductor/Normal/Superconductor (SNS) nature. Low temperature anneal studies indicate that Josephson junctions with optimum properties can be obtained by a combination of a high electron dose and subsequent low temperature anneal. Extremely high electron doses resulted in the formation of a purely resistive region. The electrical transport in such regions with a dimension of 200 nm in the direction of current transport is shown to be compatible with variable range hopping (VRH). Barriers with the same length but a finite superconducting transition temperature showed a low bias resistance that is significantly lowered due to proximity coupling. Using purely resistive regions in combination with Josephson junctions, devices consisting of two closely spaced Josephson junctions with a third terminal connected to the shared electrode were fabricated and characterised (minimum separation 20 nm). The distinct behaviour of the Josephson critical current with applied magnetic field (Ic(B)) of these devices was found to be well described by a newly developed model, which incorporates the effect of the static redistribution current in the shared electrode on the phase distribution of the Josephson junctions. An important finding is that the behaviour of the high critical current with applied magnetic field of two closely spaced junctions was found to be consistent with a model system consisting of a closely spaced Josephson junction and a resistive barrier. A three terminal device with Josephson junctions at small separations was found to have a significantly increased trans resistance when compared with the individual resistance of the Josephson junctions it constituted of. A number of illustrative examples of device structures realised with the focused electron beam irradiation technique are also included.

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Superconductor electronics based on the Single Flux Quantum (SFQ) technology are considered a strong contender for the ‘beyond CMOS’ future of digital circuits because of the high speed and low power dissipation associated with them. In fact, digital operations beyond tens of GHz have been routinely demonstrated in the SFQ technology. These circuits have widespread applications such as high-speed analog-to-digital conversion, digital signal processing, high speed computing and in emerging topics such as control circuitry for superconducting quantum computing. Rapid Single Flux Quantum (RSFQ) circuits have emerged as a promising candidate within the SFQ technology, with information encoded in picosecond wide, milli-volt voltage pulses. As is the case with any integrated circuit technology, scalability of RSFQ circuits is essential to realizing their applications. These circuits, based on the Josephson junction, require a DC bias current for the correct operation. The DC bias current requirement increases with circuit complexity, and this has multiple implications on circuit operation. Large currents produce magnetic fields that can interfere with logic operation. Furthermore, the heat load delivered to the superconducting chip also increases with current which could result in the circuit becoming ‘normal’ and not superconducting. These problems make reduction of the bias current necessary. Serial Biasing (SB) is a bias current reduction technique, that has been proposed in the past. In this technique, a digital circuit is partitioned into multiple identical islands and bias current is provided to each island in a serial manner. While this scheme is promising, there are multiple challenges such as design of the driver-receiver pair circuit resulting in robust and wide operating bias margins, current management on the floating islands, etc. This thesis investigates SB in a systematic manner, focusing on the design and measurement of the fundamental components of this technique with an emphasis on reliability and scalability. It presents works on circuit techniques achieving high speed serially biased RSFQ circuits with robust operating margins and the experimental evidence to support the ideas. It develops a framework for serial biasing that could be used by electronic design tools to automate design and synthesis of complex RSFQ circuits. It also investigates Passive Transmission Lines (PTLs) for use as passive interconnects between library cells in a complex design, reducing the DC bias current required by the active circuitry.

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Ce travail de thèse est principalement axé sur le développement d’une nouvelle méthode de manipulation de vortex d’Abrikosov individuels dans les supraconducteurs de type II. Cette méthode, rapide, efficace et précise, est basée sur l’optique en champ lointain et repose sur l’échauffement local du supraconducteur sous l’action d’un faisceau laser focalisé. Elle apporte une excellente alternative aux techniques existantes de manipulation de vortex, toutes basées sur l’utilisation de sondes locales, et donc intrinsèquement lentes et difficiles à mettre en oeuvre dans un environnement cryogénique. La combinaison de cette méthode à une technique d’imagerie magnéto-optique performante permet de déplacer des vortex individuels avec un taux de réussite de 100% et sur de grandes échelles limitées uniquement par le champ de l’objectif de microscope. Les vitesses de manipulation atteintes sont élevées, de l’ordre de 10 mm.s-1, mais encore limitées par l’instrumentation utilisée et loin des limites fondamentales offertes par cette méthode, estimées au km.s-1. La méthode de manipulation optique permet aussi de mesurer la distribution des forces de piégeage de chaque vortex d’un échantillon. En utilisant des puissances de chauffage laser permettant de dépasser localement la température critique, nous avons également pu étudier la pénétration des vortex à l’interface entre une zone normale et une zone supraconductrice.Durant ces travaux, nous avons aussi eu l’opportunité de mettre en évidence, par spectroscopie de molécules uniques, l’effet flexomagnétoélectrique dans un matériau multiferroïque, en employant un supraconducteur de type I comme générateur de champ magnétique inhomogène. Enfin, nous proposons à la fin de ce mémoire un concept de jonction Josephson créée tout optiquement, et dont les propriétés seraient contrôlables en temps réel par laser. / This thesis focuses on the development of a new manipulation technique to handle single Abrikosov vortices in type II superconductors. This fast, efficient and precise method is based on far field optics and rests on the local temperature elevation produced by a focused laser beam. It brings an excellent alternative to the existing techniques which are all based on local probes and thus heavy to implement in a cryogenic environment. The combination of this method with an efficient magneto-optical imaging system allows us to manipulate single vortices with a 100% rate of success on a large scale only limited by the field of view of the microscope objective. Manipulation speeds are high, of the order of 10 mm.s-1, but still limited by our setup and far from the fundamental limits offered by this technique, estimated to the km.s-1. This manipulation technique also allows to measure the pinning force of any single vortex in a superconducting sample. By using a high enough laser power which locally pushes the temperature above the critical temperature, we could also study the vortex penetration at the interface between normal and superconducting areas.In the course of this work, we also evidenced, with single molecule spectroscopy, the flexomagnetoelectric effect in a multiferoic material, by using a type I superconductor as a source of inhomogeneous magnetic field. Finally, we propose at the end of the manuscript the new concept of an optically created Josephson junctions, whose properties could be controlled in real time just with a laser beam.

Au cours de cette thèse, nous avons mis au point une technique de fabrication de nano-jonctions Josephson présentant à la fois un intérêt technologique et fondamental. Les jonctions sont fabriquées à partir<br />d'un simple film mince d'YBa2Cu3O6+ en combinant des procédés standards de microfabrication et des étapes d'irradiation ionique. D'un point de vue fondamental, nous avons montré que l'effet de proximité joue un rôle important dans le couplage Josephson. Les résultats sont interprétés dans le cadre d'une approche de type quasiclassique basée sur les équations d'Usadel. Du point de vue des applications, ces jonctions offrent une nouvelle technologie efficace pour les dispositifs à base de jonctions Josephson, pouvant fonctionner à la température de l'azote liquide. Sur la base de cette technique, nous avons développé la fabrication de SQUIDs dc ayant de très bonnes performances.<br />La seconde partie de cette thèse a eté consacrée à l'étude des fluctuations de paires dans le régime de pseudogap des cuprates sous-dopés par une expérience de type Josephson. Si l'on couple un supraconducteur optimalement dopé avec un supraconducteur sous-dopé au travers d'une barrière isolante, la présence de fluctuations de paires dans le régime du pseudogap peut être révélée en mesurant la caractéristique courant-tension pour des températures comprises entre les deux Tc. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une nouvelle technique de fabrication de jonctions à géométrie mesa (YBaCuO sousdopé/PrBaCuO/ YBaCuO optimalement dopé) de taille micronique. Un comportement Josephson a été observé à basse température lorsque les deux électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans le régime intermédiaire, lorsque le composé optimalement dopé est dans l'état supraconducteur et le composé sousdopé dans l'état de pseudogap, nous observons une signature des fluctuations de paires dans un régime de température d'une dizaine de Kelvin au-dessus de la Tc du composé sous-dopé ce qui est bien inférieur à la température d'apparition du pseudogap (250K). Ces résultats sont donc en faveur d'un scénario classique où les fluctuations de paires n'existent qu'au voisinage de la transition.

We address the excitation of quantum breathers in small nonlinear networks of two and three degrees of freedom, in order to study their properties. The invariance under permutation of two sites of these networks substitutes the translation invariance that is present in nonlinear lattices, where (classical) discrete breathers are time periodic space localized solutions of the underlying classical equations of motion. We do a systematic analysis of the spectrum and eigenstates of such small systems, characterizing quantum breather states by their tunnelling rate (energy splitting), site correlations, fluctuations of the number of quanta, and entanglement. We observe how these properties are reflected in the time evolution of initially localized excitations. Quantum breathers manifest as pairs of nearly degenerate eigenstates that show strong site correlation of quanta, and are characterized by a strong excitation of quanta on one site of the network which perform slow coherent tunnelling motion from one site to another. They enhance the fluctuations of quanta, and are the least entangled states among the group of eigenstates in the same range of the energy spectrum. We use our analysis methods to consider the excitation of quantum breathers in a cell of two coupled Josephson junctions, and study their properties as compared with those in the previous cases. We describe how quantum breathers could be experimentally observed by employing the already developed techniques for quantum information processing with Josephson junctions.

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.