La cohérence de phase quantique des électrons se manifeste par des interférences dans les circuits mésoscopiques métalliques. Les premières expériences de cette thèse explorent les mécanismes d'interaction limitant la cohérence dans des métaux non supraconducteurs (normaux) : des mesures de temps de cohérence de phase et d'échanges d'énergie révèlent le rôle joué par des impuretés magnétiques dans le régime Kondo. Dans les métaux supraconducteurs, les électrons adoptent un état quantique macroscopique grâce au potentiel d'appariement : la cohérence est obtenue pour cet état impliquant de nombreux électrons. Dans ce cas, nous avons testé l'équivalence entre la décohérence induite par un supercourant et par un champ magnétique à l'aide de mesures de densités d'états. Lorsqu'un métal normal est en contact avec un supraconducteur, la propagation de l'ordre supraconducteur dans le métal normal est limitée par la décohérence des électrons indépendants comme prouvé par une dernière expérience.

Cette thèse est consacrée à l'étude de deux aspects de la physique mésoscopique que sont le bruit quantique haute fréquence et l'effet de proximité supraconducteur en se focalisant toutefois sur un système modèle: le nanotube de carbone.Ainsi la première partie de cette thèse est dédiée à la mesure de bruit quantique haute fréquence. Afin de mesurer ces fluctuations nous avons développé un système de détection "on-chip" original dans lequel la source de bruit et le détecteur, une jonction Supraconducteur/Isolant/Supraconducteur, sont couplés par un circuit résonant. Cela nous a permis dans un premier temps de mesurer le bruit à l'équilibre du résonateur. Son bruit comporte une forte asymétrie entre émission et absorption reliée aux fluctuations de point zéro. Une seconde étape a été de mesurer le bruit hors équilibre d'émission du passage tunnel de quasi-particules dans une jonction Josephson. Ce bruit comporte une forte dépendance en fréquence en accord avec les prédictions théoriques et nous a permis de valider le principe de détection. Finalement, nous avons pu mesurer le bruit associé au régime Kondo hors équilibre d'une boîte quantique à nanotube de carbone (énergie caractéristique kBTK avec TK la température Kondo). Ce bruit d'émission à kBTK~hν possède une forte singularité à la tension V=hν/e (ν étant la fréquence de mesure). Cette singularité est reliée aux résonances Kondo dans la densité d'états de la boîte associés aux niveaux de Fermi de chaque réservoir. A plus haute fréquence hν~3kBTK, la singularité disparaît, ce qui est compris par des effets de décohérence induits par la tension.Dans la seconde partie, nous avons développé une technique permettant de mesurer à la fois la relation courant/phase et la caractéristique courant/tension d'un lien faible séparant deux supraconducteurs. Nous avons ainsi caractérisé une jonction à base de nanotube de carbone au travers de laquelle une relation courant-phase modulable par une tension de grille a été observée. Cette relation courant/phase exhibe une forte anharmonicité lorsque le supercourant présente une relativement grande amplitude.

La manipulation de la matière au niveau nanométrique a ouvert depuis une quinzaine d'années de nouveaux champs fondamentaux et applicatifs pour les scientifiques et les industriels. Dans ce nouveau paradigme, la nanoélectronique quantique se propose de fonder une nouvelle électronique basée sur les phénomènes quantiques de la matière et plus particulièrement sur la nature quantique des électrons. Ce projet de thèse s'articule autour d'un système électronique quantique hybride supraconducteur/nanotube de carbone (CNT) dénommé nano-SQUID. Ce dispositif présente une boucle supraconductrice contenant deux jonctions CNT en parallèle. Il couple de façon unique les propriétés d'un interféromètre supraconducteur SQUID avec celles de jonctions Josephson à boîte quantique moléculaire. A travers des expériences de transport réalisées, à des températures de quelques dizaines de milli-Kelvins, dans un cryostat à dilution inversé, nous avons étudié les interactions électroniques entre une boîte quantique nanotube et des électrodes supraconductrices. Nous nous sommes particulièrement focalisés sur l'influence de l'état de spin du nanotube sur le courant supraconducteur, qui peut, dans certaines conditions, conduire à la réalisation d'un jonction-. Par un contrôle électrostatique des paramètres microscopiques du dispositif nous avons ainsi pu définir un diagramme de phase expérimental des transitions 0- d'une jonction Josephson à boîte quantique. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'utilisation du nano-SQUID comme magnétomètre. En effet, en couplant un aimant moléculaire au CNT composant le SQUID, il a été montré théoriquement qu'il est possible de détecter le retournement d'aimantation d'un spin unique. Nous avons ainsi couplé au nano-SQUID l'aimant moléculaire Double Decker Holmium et réalisé les premières mesures de détections magnétiques aux résultats prometteurs.

L'enjeu de l'électronique moléculaire est la connexion de la molécule à un dispositif macroscopique. Le but de cette thèse est d'étudier le transport électronique dans des nanocassures métalliques, structures d'accueil de molécules, puis d'y insérer une molécule pour réaliser un transistor moléculaire. Connaître les propriétés de transport de la structure d'accueil est un point clé pour la fabrication du transistor moléculaire et la compréhension de ses propriétés électroniques. Les nanocassures sont obtenues par électromigration d'un nanofil d'or. Une forte densité de courant entraine le déplacement des atomes d'or et provoque la rupture du nanofil. Le processus d'électromigration contrôlée développé lors de cette thèse est effectué à température ambiante, et permet de limiter les déplacements atomiques afin d'obtenir des coupures de taille nanométrique. L'échantillon est immédiatement refroidi à 4K pour limiter tous processus diffusifs dégradant la nanocassure formée, et il est caractérisé électriquement. L'ajustement des courbes I-V par un modèle tunnel donne les travaux de sortie des électrodes et la distance inter-électrodes, distance à comparer avec la taille de la molécule. La courbe I-V permet aussi de détecter la présence d'agrégats métalliques piégés entre les électrodes lors de l'électromigration. La dernière étape de la réalisation d'un transistor moléculaire est le dépôt de la molécule. Ce dépôt est effectué in-situ à 4K, sous vide, par sublimation d'une poudre de C60 par effet Joule. Les premiers tests montrent qu'il est possible d'obtenir un tapis de molécules sans dégrader les nanocassures.

La spintronique moléculaire, domaine en pleine expansion, se propose de réunir les outils expéri- mentaux et théoriques propres à trois thématiques : le magnétisme moléculaire, l'électronique de spin, et l'électronique moléculaire. Le projet de ma thèse ne pouvait se réaliser sans la création préalable d'un transistor dont l'élé- ment central est une molécule unique. Cet objectif a été atteint grâce à l'utilisation de la technique d'électromigration, choix délicat puisque mis en œuvre dans un cryostat à dilution. Notre objectif était en effet de pouvoir effectuer des mesures à quelques dizaines de milliKelvins, et sous fort champ magnétique [0, ±9 T ]. A travers les expériences menées sur des molécules de fullerène, aussi appelées C60, nous avons étudié les interactions électroniques entre un objet de taille nanométrique et des électrodes métal- liques. La combinaison de mesures à très basse température et des propriétés des molécules (niveaux électroniques dégénérés, énergie de charge élevée) a permis d'observer une transition de phase quan- tique entre deux états magnétiques de symétries différentes. Nous avons également apporté de solides preuves expérimentales quant à l'observation d'un effet Kondo sous-écranté. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'étude du transport électronique à travers l'aimant moléculaire N@C60. Celui-ci est constitué d'un atome d'azote placé à l'intérieur d'un fullerène. En effectuant différents types de spectroscopies magnétiques, nous avons quantifié les interactions entre cet atome et les électrons de conduction portés par la cage de C60.

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Der Einfluss der d-Zustände der Übergangsmetalle auf die Strukturbildung in amorphen Legierungen ist bisher nur unzureichend verstanden. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, zusätzliche Beiträge zum Verständnis am Beispiel binärer amorpher Aluminiumlegierungen mit Übergangsmetallen zu erarbeiten. Speziell standen dabei Legierungen mit einer Untergruppe der Übergangsmetalle, den Metallen der Seltenen Erden, im Vordergrund. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Schichten von Al-Ce im Bereich von 15at%Ce-80at%Ce durch sequentielle Flash-Verdampfung bei 4,2K im Hochvakuum hergestellt und durch Messungen des elektrischen Widerstands und des Hall-Effekts elektronisch, sowie durch Transmissionselektronenbeugung strukturell charakterisiert. Ergänzend wurden Untersuchungen der Plasmaresonanz mittels Elektronenenergieverlustspektroskopie durchgeführt. Im Bereich 25at%Ce-60at%Ce entstanden homogen amorphe Proben. Besonders die Strukturuntersuchungen wurden durch eine Oxidation des Materials erschwert. Der Einfluss der Ce-4f-Elektronen manifestiert sich vor allem im Tieftemperatur- und Magnetowiderstand, die beide vom Kondo-Effekt dominiert werden. Der Hall-Effekt in Al-Ce wird im gesamten untersuchten Temperaturbereich (2K-320K) von anomalen Anteilen dominiert, welche skew-scattering-Effekten, ebenfalls aufgrund der Ce-4f-Elektronen, zugeschrieben werden. Bis hinunter zu 2K trat keine makroskopische magnetische Ordnung auf. Im Bereich 2K-20K wird auf das Vorliegen von Clustern geordneter magnetischer Momente geschlossen. Für T>20K tritt paramagnetisches Verhalten auf. Hinsichtlich der strukturellen und elektronischen Eigenschaften lässt sich a-Al-Ce in eine Gruppe mit a-Al-(Sc,Y,La) einordnen. Im Sinne der Plasmaresonanz ordnet sich a-Al-Ce exzellent in eine von anderen Al-Übergangsmetalllegierungen bekannte Systematik ein. Weiterhin wurde, durch Hinzunahme von Ergebnissen zu binären amorphen Al-Übergangsmetalllegierungen aus der Literatur, gefunden, dass die Strukturbildung in diesen Systemen eng mit einem bekannten, jedoch noch ungeklärtem Strukturbildungseffekt verknüpft ist, der in flüssigen reinen Elementen auftritt. Dieser hat dort zum Ziel, eine Resonanz zwischen der statischen Struktur und dem elektronischen System aufzubauen, die mit einer mittleren Valenz von 1,5 Elektronen pro Atom verknüpft ist. Speziell die Strukturen der untersuchten amorphen Al-Seltenerdlegierungen sind über große Konzentrationsbereiche ebenfalls mit einer mittleren Valenz von 1,5 Elektronen pro Atom korreliert.

<p>Boundary quantum phases ---a special type of quantum phenomena--- occur in the boundary part of the system. The boundary part can be a surface of a bulk material, an interface between two distinct system, and even it can be a single impurity or a impurity cluster embedded into a bulk system. The properties of the boundary degree of freedom can be affected by many strong electron correlation effects, mesoscopic effects, and topological effects, which, therefore, induce a vast variety of exotic boundary quantum phases. Many techniques for precise fabrication and measurement in nanostructures had been developed,</p><p>which can provide ways to prob, understand, and control those boundary quantum phases.</p><p>In this thesis, we focus on three types of the boundary quantum phases : Kondo effects, boundary quantum phase transitions, and Majorana fermions. Our motivation is to design and prob those effects by using a important type of nanostructures, i.e. quantum dots. A vast variety of models related to quantum dots (QDs) are studied theoretically, which includes a QD coupled to a mesoscopic bath, a quadruple QD system with metallic leads, a QD with dissipative environments, and a QD coupled to a Majorana fermion zero mode.</p><p>Quantum dots provide a way to study the interplay of Kondo effects and mesoscopic fuctuations. In chapter 5, we consider a model including an Anderson impurity (small QD) coupled to a mesoscopic bath (large QD). Both the weak and strong coupling Anderson impurity problems are characterized by Fermi-liquid theories with weakly interacting quasiparticles. We find that the fluctuations of single particle properties in the two limits are highly correlated and universal : The distributions of the spectrum within the Kondo temperature collapse to universal forms; and the strong coupling impurity changes the wave functions corresponding to the spectrum within the Kondo temperature. </p><p>Quantum dots also bring the possibility to study more complex quantum impurities (multi-QDs) and the competition among dierent interactions, which may induce exotic effects: boundary quantum phase transitions and novel Kondo effects. In chapter 7, we design a quadruple quantum dot system to study the competition among three types of interactions: Kondo, Heisenberg, and Ising. We find a rich phase diagram containing two sharp features : a Berezinsky-Kosterlitz-Thouless type quantum phase transition between a charge-ordered phase and a charge liquid phase and a U(1)XU(1) Kondo state with emergent symmetry from Z2 to U(1). In chapter 8, we study a dissipative resonant level model in which the coupling of a fermionc bath competes with a dissipation-induced bosonic bath. we establish an exact mapping from this dissipative resonant level model to a model of a quantum dot embedded into a Luttinger liquid wire, and we also find two kinds of boundary quantum phase transitions (a Berezinsky-Kosterlitz-Thouless type and a second order type).</p><p>Finally, in chapter 9, we propose an experimental system to detect Majorana fermion zero modes. This system consists of a spinless quantum do coupled to a Majorana fermion which exists in the end of a p-wave superconductor wire. The Majorana Fermion strongly infuence the transport properties of the quantum dot. The zero temperature conductance peak value (when the dot is on resonance and symmetrically coupled to the leads) is e^2/2h. In contrast, if the wire is in its topological trivial phase, the result is e^2/h; if the side-coupled mode is a regular fermionic zero mode, the result is zero. Driving the wire through the topological phase transition causes a sharp jump in the conductance by a factor of 1/2. This result can be used to detect the existence of Majorana fermions.</p> / Dissertation

The low-energy properties of quantum dot systems are dominated by the Kondo effect. We study the dependence of the characteristic energy scale of the effect, the Kondo temperature, on the gate voltage, which controls the number of electrons in the strongly blockaded dot. We show that in order to obtain the correct Kondo temperature as a function of the gate voltage, it is crucial to take into account the presence of many energy levels in the dot. The dependence turns out to be very different from that in the conventional single-level Anderson impurity model. Unlike in the latter, the Kondo temperature cannot be characterized by a single parameter, such as the ratio of the tunneling-induced width of the energy levels in the dot and the charging energy.

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