En Electrodynamique Quantique en Cavité (" Cavity QED "), l'interaction entre la transition atomique et le champ de la cavité est quantifiée par la fréquence de Rabi du vide. L'expression analogue " circuit QED " a été introduite pour certains circuits supraconducteurs contenant des Jonctions Josephson, parce qu'ils pouvaient se comporter comme des atomes artificiels couplés au mode bosonique du résonateur. Dans le régime où la fréquence de Rabi du vide est comparable à la fréquence de transition du système à deux niveaux, des transitions de phases quantiques superradiantes ont été prédites pour le fondamental du système, par exemple dans le cadre du modèle de Dicke. Des réalisations possibles du modèle de Dicke par des systèmes de circuit QED sont étudiées ici théoriquement dans les cas de couplage capacitif ou inductif. Prédictions et contraintes sont analysées pour l'obtention d'une transition de phase quantique, avec un vide deux fois dégénéré au-dessus d'un point critique quantique. La robustesse et la protection de la dégénérescence du vide dans le régime de couplage ultrafort sont étudiées, et conduisent à de possibles applications en Information Quantique avec des réseaux de plusieurs résonateurs. Finalement, un modèle de Dicke généralisé avec une phase doublement superradiante et un vide quatre fois dégénéré est proposé.

Josephson junction qubits are promising candidates for a scalable quantum processor. Such qubits are commonly manipulated by means of sequences of rf-pulses and different methods are used to determine their quantum state. The readout should be able to distinguish the two qubit states with high accuracy and be faster than the relaxation time of the qubit. We discuss and experiment with a readout method based on the switching of a Josephson junction from the zero voltage state to a finite voltage state. The Josephson junction circuit has a non-linear dynamics and when it is brought to a bifurcation point, it can be made arbitrarily sensitive to small perturbations. This extreme sensitivity at a bifurcation point can be used to distinguish the two quantum states if the topology of the phase space of the circuit leads to a quick separation into the final states where re-crossings of the bifurcation point are negligible. We optimize a switching current detector by analyzing the phase space of a Josephson junction circuit with frequency dependent damping. A pulse and hold technique is used where an initial current pulse brings the junction close to its bifurcation point and the subsequent hold level is used to give the circuit enough time to evolve until the two states can be distinguished by the measuring instrument. We generate the pulse and hold waveform by a new technique where a voltage step with following linear voltage rise is applied to a bias capacitor. The frequency dependent damping is realized by an on-chip RC-environment fabricated with optical lithography. Josephson junction circuits are added on by means of e-beam lithography. Measurements show that switching currents can be detected with pulses as short as 5 ns and a resolution of 2.5% for a sample directly connected to the measurement leads of the cryostat. Detailed analysis of the switching currents in the RC-environment show that pulses with a duration of 20 us can be explained by a generalization of Kramers' escape theory, whereas switching the same sample with 25 ns pulses occurs out of thermal equilibrium, with sensitivity and speed adequate for qubit readout. / QC 20100924

The emergence of many-body physical phenomena from the quantum mechanical properties of atoms can be studied using ultracold alkali gases. The ability to manipulate both Bose-Einstein condensates (BECs) and degenerate Fermi gases (DFGs) with designer potential energy landscapes, variable interaction strengths and out-of-equilibrium initial conditions provides the opportunity to investigate collective behaviour under diverse conditions. With an appropriately chosen wavelength, optical standing waves provide a lattice potential for one target species while ignoring another spectator species. A “tune-in” scheme provides an especially strong potential for the target and works best for Li-Na, Li-K, and K-Na mixtures, while a “tune-out” scheme zeros the potential for the spectator, and is pre- ferred for Li-Cs, K-Rb, Rb-Cs, K-Cs, and 39K-40K mixtures. Species-selective lattices provide unique environments for studying many-body behaviour by allowing for a phonon-like background, providing for effective mass tuning, and presenting opportunities for increasing the phase-space density of one species. Ferromagnetism is manifest in a two-component DFG when the energetically preferred many-body configuration segregates components. Within the local density approximation (LDA), the characteristic energies and the three-body loss rate of the system all give an observable signature of the crossover to this ferromagnetic state in a trapped DFG when interactions are increased beyond kF a(0) = 1.84. Numerical simulations of an extension to the LDA that account for magnetization gradients show that a hedgehog spin texture emerges as the lowest energy configuration in the ferromagnetic regime. Explorations of strong interactions in 40K constitute the first steps towards the realization of ferromagnetism in a trapped 40K gas. The many-body dynamics of a 87Rb BEC in a double well potential are driven by spatial phase gradients and depend on the character of the junction. The amplitude and frequency characteristics of the transport across a tunable barrier show a crossover between two paradigms of superfluidity: Josephson plasma oscillations emerge for high barriers, where transport is via tunnelling, while hydrodynamic behaviour dominates for lower barriers. The phase dependence of the many-body dynamics is also evident in the observation of macroscopic quantum self trapping. Gross-Pitaevskii calculations facilitate the interpretation of system dynamics, but do not describe the observed damping.

The emergence of many-body physical phenomena from the quantum mechanical properties of atoms can be studied using ultracold alkali gases. The ability to manipulate both Bose-Einstein condensates (BECs) and degenerate Fermi gases (DFGs) with designer potential energy landscapes, variable interaction strengths and out-of-equilibrium initial conditions provides the opportunity to investigate collective behaviour under diverse conditions. With an appropriately chosen wavelength, optical standing waves provide a lattice potential for one target species while ignoring another spectator species. A “tune-in” scheme provides an especially strong potential for the target and works best for Li-Na, Li-K, and K-Na mixtures, while a “tune-out” scheme zeros the potential for the spectator, and is pre- ferred for Li-Cs, K-Rb, Rb-Cs, K-Cs, and 39K-40K mixtures. Species-selective lattices provide unique environments for studying many-body behaviour by allowing for a phonon-like background, providing for effective mass tuning, and presenting opportunities for increasing the phase-space density of one species. Ferromagnetism is manifest in a two-component DFG when the energetically preferred many-body configuration segregates components. Within the local density approximation (LDA), the characteristic energies and the three-body loss rate of the system all give an observable signature of the crossover to this ferromagnetic state in a trapped DFG when interactions are increased beyond kF a(0) = 1.84. Numerical simulations of an extension to the LDA that account for magnetization gradients show that a hedgehog spin texture emerges as the lowest energy configuration in the ferromagnetic regime. Explorations of strong interactions in 40K constitute the first steps towards the realization of ferromagnetism in a trapped 40K gas. The many-body dynamics of a 87Rb BEC in a double well potential are driven by spatial phase gradients and depend on the character of the junction. The amplitude and frequency characteristics of the transport across a tunable barrier show a crossover between two paradigms of superfluidity: Josephson plasma oscillations emerge for high barriers, where transport is via tunnelling, while hydrodynamic behaviour dominates for lower barriers. The phase dependence of the many-body dynamics is also evident in the observation of macroscopic quantum self trapping. Gross-Pitaevskii calculations facilitate the interpretation of system dynamics, but do not describe the observed damping.

Fabrication of nanoscale Josephson junctions and Superconducting Quantum Interference Devices (SQUID) is very promising but challenging topic in the superconducting electronics and device technology. In order to achieve best sensitivity of SQUIDs and to reproduce them easily with a straightforward method, new fabrication techniques for realization of nanoSQUIDs needs to be investigated. This study concentrates on investigation of new fabrication methodology for manufacturing nanoSQUIDs with High Temperature Bi-Crystal Grain Boundary Josephson Junctions fabricated onto SrTiO3 bi-crystal substrates using YBa2Cu3O7-δ (YBCO) thin-films. In this process nanoscale patterning of YBCO was realized by using electron beam patterning and physical dry etching of YBCO thin films on STO substrates. YBCO thin films were deposited using RF magnetron sputtering technique in the mixture of Ar and O2 gases and followed by annealing at high temperatures in O2 atmosphere. Structural characterization of YBCO thin films was done by Scanning Electron Microscope (SEM) and Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX). Superconducting properties of thin films was characterized by AC magnetic susceptibility measurements. Nanoscale structures on YBCO thin films were fabricated by one E-Beam Lithography (EBL) step followed by Reactive Ion Etching (RIE) and physical dry etching. First SiO2 thin film were deposited on YBCO by RF magnetron sputtering and it was patterned by EBL using Polystyrene (PS) as resist material and RIE. Then SiO2 was used as an etch mask for physical dry etching of YBCO and nanoscale structures on YBCO were formed.

The thesis is devoted to the study of spontaneous synchronization of coupled nonlinear oscillators. It consists of two major parts. The first describes synchronization of Josephson junctions embedded in a transmission line. I consider in detail a new phenomenon ??eation of inert oscillator pairs ??ich was observed in analytical studies. The second part of the thesis describes synchronization of an array of single mode fiber lasers, with special interest in the phenomenon of synchronization of subsets of fiber lasers in a two dimensional array through a specific arrangement of the under-pumped lasers.

Nous avons mesuré la durée de vie de l'etat supraconducteur d'une jonction Josephson<br />polarisée en courant et shuntée par un circuit microonde se comportant comme une ligne à echos electromagnetiques. En faisant varier in situ la longueur de cette ligne, nous pouvons ajuster le temps d'aller-retour de ces echos. A basse température (T=20mK), la jonction transite hors de l'état supraconducteur par effet tunnel quantique macroscopique. Nous montrons que cet effet tunnel est fortement attenué si le temps d'aller-retour des<br />échos est inférieur à un nouveau temps caractéristique de l'effet tunnel, différent du temps de vie. Nous interprétons ce nouveau temps caracteristique comme le temps moyen passé par la particule sous la barrière de potentiel lors de sa sortie du puits. A plus haute<br />température (T=1K), la jonction transite hors de l'état supraconducteur par activation thermique. Dans ce regime, le taux de sortie varie de façon oscillatoire en fonction de la longueur de la ligne. Nous interprétons ce phenomène comme la manifestation des oscillations<br />effectuées par la différence de phase de la jonction dans l'état supraconducteur juste avant la transition vers l'état dissipatif, ces oscillations etant entretenues par les fluctuations thermiques.

Cette thèse a permis le développement et l'optimisation de jonctions Josephson SNS (Supraconducteur–métal Normal–Supraconducteur) à électrodes NbN et barrière TaxN de haute résistivité. On a montré une bonne reproductibilité des propriétés des couches TaxN en fonction des paramètres du dépôt. Les tricouches NbN/TaxN/NbN présentent la température critique élevée attendue (16K). Les jonctions présentent une dépendance claire du produit RnIc (courant Josephson x résistance normale, indicateur de la fréquence Josephson maximale) en fonction de la pression d'azote dans le dépôt. On a ainsi obtenu sur des collections de jonctions des produits RnIc très élevés, jusqu'à 3,74mV à 4,2K pour des densités de courant critique Jc voisines de 15kA/cm2. Les jonctions présentent les comportements Josephson attendus, (diffraction de Fraunhofer et marches de Shapiro) jusqu'à 14K. La dépendance du Jc des jonctions en fonction de la température a été interpolée en utilisant le modèle des jonctions SNS longues dans la limite sale, donnant une longueur de cohérence du métal normal autour de 3,8nm à 4,2K. Nous avons enfin étudié un procédé de fabrication multiniveaux adapté aux circuits RSFQ (Rapid Single Flux Quantum), comprenant un plan de masse commun et des résistances de polarisation. Pour conclure, nous avons montré la supériorité de performances des jonctions NbN/TaxN/NbN sur les jonctions actuelles en niobium et leur intérêt pour réaliser des circuits numériques RSFQ compacts. En effet ces jonctions s'affranchissent des résistances d'amortissement des jonctions Nb, et peuvent fonctionner jusqu'à des fréquences d'horloge supérieures à 150 GHz et jusqu'à 10K (contre 50 GHz en Nb à 4,2K).

La première partie de cette thèse décrit l'élaboration et la caractérisation de couches minces supraconductrices de composition YBa2Cu3O7-d. Leurs propriétés de transport ont été analysées dans le cadre de la théorie B.C.S. La deuxième partie est relative à la mise en évidence et à l'étude des propriétés structurales de nouvelles perovskites de composition Ln2CuTiO6-d (Ln=terre rare) et AxLn2-xCu1+yTi1-yO6-d (A=alcalinoterreux). Un modèle de distribution cationique reposant sur des études de diffraction X et de microscopie électronique est proposé.

Cette thèse poursuit deux directions dans le domaine des isolants et supraconducteurs topologiques.Dans la première partie de la thèse nous étudions des isolants en deux dimensions sur réseau, présentant un effet Hall quantique anormal (c'est-à-dire en l'absence d'un champ magnétique externe), induit par la présence d'un flux magnétique inhomogène dans la maille. Le système possède des phase isolantes caractérisés par un invariant topologique, le nombre de Chern, qui est lié à la conductance portée par le bord états. Nous montrons que les modèles à deux bandes admettent des phase à nombre de Chern arbitraire, ou, de façon équivalente, un nombre arbitraire d'états de bord, quand on augmente la portée des couplages sur réseau. Cette compréhension est rendue possible grâce à la démonstration d'une formule montrant que le nombre de Chern d'une bande dépend de certains propriétés d'un ensemble discret de points dans la zone de Brillouin, les points de Dirac en l'absence du gap. Ces idées sont rendues plus concrètes dans l'étude du modèle de Haldane et dans la création d'un modèle artificiel avec cinq phases de Chern dont les états de bord sont déterminés en détail. La deuxième partie de la thèse porte sur les supraconducteurs topologiques unidimensionnels qui exhibent des états exotiques d'énergie zéro: les états liés de Majorana. Nous étudions ici la présence de fermions de Majorana dans des fils de semiconducteurs à fort couplage spin-orbite sous l'effet de proximité d'un supraconducteur d'onde s. Nous montrons que la polarisation de spin des degrés de liberté électroniques dans la fonction d'onde Majorana dépend du poids relatif du couplage spin-orbite Dresselhaus et Rashba. Nous étudions également les fermions de Majorana dans des jonctions linéaires longues supraconducteur-normal et supraconducteur-normal-supraconducteur (SNS) où ils apparaissent comme des états étendus dans la jonction normale. En outre, la géométrie d'anneaux peut être mise en correspondance avec une jonction SNS, et, sous l'action de gradients dans la phase supraconductrice, des fermions Majorana étendus se forment encore à l'intérieur du fil normal. Enfin, un modèle à deux bandes avec des fermions de Majorana multiples est traité. Nous démontrons que les jonctions Josephson construites à partir de ce modèle maintiennent l'une des signatures remarquables des fermions de Majorana, à savoir la périodicité 4π de l'effet Josephson fractionnaire.