Nous décrivons des jonctions hybrides constituées d'un métal supraconducteur et d'un métal normal (jonction N-S) ou d'un métal ferromagnétique (jonction F-S). Nous mesurons des densités locales d'états avec un microscope à effet tunnel à très basse température. La résolution de cet instrument est meilleure que 18 µeV (température électronique effective de 106 mK). Cette résolution est l'une des meilleures obtenues par cette technique. Les mesures sont réalisées avec des pointes normales ou supraconductrices dont la réalisation est décrite. Concernant les jonctions N-S, nous avons étudié les effets de proximité dans une couche d'or au contact d'une couche de niobium lorsque l'épaisseur de cette première varie. Les résultats sont comparés à ceux prédits par l'équation d'Usadel. Nous avons étudié aussi différents types de jonctions F-S : l'une d'elles consiste en des agrégats de cobalt noyés dans une matrice de niobium. Les densités d'états mesurées sur le niobium montrent des structures encore non expliquées. Nous présentons également des expériences montrant l'influence du retournement des spins sur les effets de proximité inverses dans des couches de cuivre-nickel au contact d'une couche de niobium. Celui-ci peut être décrit par l'introduction d'un temps caractéristique tau_sf dans les équations d'Usadel. Enfin, nous présentons les premiers résultats sur un nouveau type de microscope combinant force atomique et effet tunnel.

Cette thèse présente une étude des propriétés de transport à basse température d'échantillons de graphène exfolié. Une première série de mesures menée à une température de 4 Kelvins sur des échantillons contactés par des électrodes constituées d'une bicouche titane/or révèle les phénomènes d'effet Hall quantique et de fluctuations universelles de conductance. L'effet Hall présente une quantification demi-entière propre au graphène. Le caractère universel des fluctuations de conductance est confirmé par les mesures, et une réduction de la longueur de cohérence de phase est observée au point de Dirac. Une autre série d'échantillons, connectés par des électrodes en titane/aluminium, permet l'étude de l'effet de proximité supraconducteur dans le graphène. Ces mesures sont réalisées à des températures comprises entre 100mK et 1K. Dans un premier échantillon, elles font apparaitre le phénomène de réflexions d'Andreev multiples et un précurseur de l'effet Josephson, ainsi qu'une amplification des fluctuations universelles de conductance lorsque les électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans un second échantillon, la présence de localisation forte tend à diminuer l'amplitude des fluctuations universelles de conductance, entrant ainsi en compétition avec l'effet de proximité. / This thesis presents a study of electronic transport in exfoliated graphene at low temperature. A first set of experiment at 4K on samples connected by titanium/gold electrodes exhibits Quantum Hall effect and universal conductance fluctuations. Quantum Hall effect shows a half-integer quantization specific of graphene. The universality of conductance fluctuations is checked experimentally and a decrease of electronic coherence length is observed near the Dirac point. A second series of samples connected by titanium/aluminium electrodes allows the study of superconducting proximity effect in graphene, at temperatures between 1K and 100mK. In a first sample, measurements exhibit multiple Andreev reflexions and indicate nearly established Josephson effect. An amplification of universal conductance fluctuations when electrodes are in the superconducting state is also observed. In a second sample, we observe strong localization, which tends to suppress conductance fluctuation, therefore entering in competition with proximity effect.

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.

Au cours de cette thèse, nous avons étudié l'influence d'une barrière tunnel en transport cohérent. Les structures présentées dans ce manuscrit ont toutes en commun une barrière tunnel et une interface Supraconducteur/métal Normal (S/N). L'interface S/N est le siège de la réflexion d'Andreev qui régit la transformation d'un courant normal (à une particule) en un courant supraconducteur (à deux particules). Ce processus conduit à l'effet de proximité classique. Nous avons tout d'abord étudié des contacts nitrure de titane/silicium fortement dopé. La barrière Schottky présente à l'interface frustre l'effet de proximité. On a pu observer à basse température et faible tension l'augmentation de conductance caractéristique de l'effet tunnel sans réflexion ("reflectionless tunneling"). La comparaison quantitative de nos mesures avec les théories pertinentes nous a conduits à étudier les effets de chauffage dans les structures longues Supraconducteur-métal Normal-Supraconducteur (SNS). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué en salle blanche, puis mesuré à basse température des structures verticales aluminium-cuivre-alumine-cuivre (SNIN) dans le régime diffusif. Cette fois-ci, la barrière tunnel est décalée dans le métal normal, ce qui confine les électrons près de l'interface supraconductrice et augmente l'effet de proximité. Nous avons pu observer un comportement proche de la réentrance à faible énergie. En variant l'épaisseur du métal normal présent entre l'interface supraconductrice et la barrière tunnel, nous avons constaté la transition entre un excès de conductance et l'ouverture d'un gap dans le métal normal, jusqu'à un comportement tunnel caractéristique des jonctions SIN. Ces deux études montrent qu'une barrière tunnel permet non seulement la spectroscopie des densités d'états, mais également de mettre en évidence le transport cohérent dans les structures mésoscopiques.

Le point central de cette thèse est la physique du bruit: la transformée de Fourier de la function de correlation temporelle courant-courant. Nous examinons des situations dans lesquelles le bruit généré par un circuit mésoscopique donné affecte le comportement d'un autre circuit mésoscopique. Dans une première partie, la source de bruit est inconnue, et le circuit mésoscopique qui lui est couplé de manière capacitive se comporte comme un détecteur de bruit à haute fréquence. Dans notre cas, le détecteur est constitué d'une jonction métal normal-supraconducteur, où le transport électronique est du au transfert de<br />quasiparticules, ou, de manière plus intéressante, est du à la réflexion d'Andreev. La théorie du blocage de Coulomb dynamique est utilisée pour calculer le courant continu qui passe dans le circuit de détection, procurant ainsi une information sur le bruit à haute fréquence. Dans la deuxième partie de cette thèse, la source de bruit est connue : elle provient d'une barre de Hall avec un contact ponctuel, dont les caractéristiques de courant-tension et de bruit sont bien établies dans le régime de l'effet Hall<br />quantique fractionnaire. Un point quantique connecté à des bornes source et drain, qui est placé au voisinage du<br />contact ponctuel, acquière une largeur de raie finie lorsque le courant fluctue, et se comporte comme un<br />détecteur de bruit de charge. Nous calculons le taux de déphasage du point quantique dans le régime de<br />faible et de fort rétrodiffusion, tout en décrivant l'effet de l'écrantage faible ou fort de l'interaction<br />Coulombienne entre la barre de Hall et le point quantique.

Cette thèse présente une étude des propriétés de transport à basse température d'échantillons de graphène exfolié. Une première série de mesures menée à une température de 4 Kelvins sur des échantillons contactés par des électrodes constituées d'une bicouche titane/or révèle les phénomènes d'effet Hall quantique et de fluctuations universelles de conductance. L'effet Hall présente une quantification demi-entière propre au graphène. Le caractère universel des fluctuations de conductance est confirmé par les mesures, et une réduction de la longueur de cohérence de phase est observée au point de Dirac. Une autre série d'échantillons, connectés par des électrodes en titane/aluminium, permet l'étude de l'effet de proximité supraconducteur dans le graphène. Ces mesures sont réalisées à des températures comprises entre 100mK et 1K. Dans un premier échantillon, elles font apparaitre le phénomène de réflexions d'Andreev multiples et un précurseur de l'effet Josephson, ainsi qu'une amplification des fluctuations universelles de conductance lorsque les électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans un second échantillon, la présence de localisation forte tend à diminuer l'amplitude des fluctuations universelles de conductance, entrant ainsi en compétition avec l'effet de proximité.

Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multi-terminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUIDs comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures.Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (trijonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la trijonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets.Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent.Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions.Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking. / During this PhD, I have first finished the development of a unique experimental set-up, dedicated for studies of electronic transport of low impedance multi-terminal nanostructures. This set-up allows conductance and noise measurements at very low temperature (30 mK), with a resolution of a few pico-ampere by using SQUIDs as current amplifiers. In chapter 5, I give some explanation of the measurement working principle. Furthermore, I explain the calibration of the experimental set-up as well as how to extract physical quantities from the measurements.In chapter6, I explain transport measurements on diffusive tri-terminal junctions (tri-junction). In a T-shape called geometry, the superconducting Al-electrodes are connected via a common metallic, non-superconducting part of Copper. For these nanostructures, we observe features in the conductance at low voltage, which have been never observed yet experimentally. These features in conductance/resistance have a striking resemblance with a dc-Josephson effect, appearing when two applied potentials on the tri-junction compensate exactly each other.In literature, two mechanisms are proposed to explain this effect.The first mechanism, called "mode-locking", corresponds to a dynamic locking of ac-Josephson currents, which is induced by the experimental environment (circuit). This situation has been extensively studied in the 60's on coupled microstructures, based on weak links. In order to test this explanation, we have measured a junction, which is composed of two spatially separated Josephson junctions. The anomalies does not show up in such a geometry, even not with strongly reduced amplitude. This indicates, that synchronization via the experimental environment can't be the origin of the observed features. The second theoretical mechanism is named "quartet-mode" and has been recently proposed by Freyn and Co-workers. In this process, one superconducting electrode emits doublets of Cooper-pairs. Each of the two pairs splits into two quasi particles propagating toward different superconducting contacts. In such a mechanism, two quasi-particles originating of two different Cooper-pairs, arrive each in the two superconducting contacts. If the applied voltage between the emitting superconducting contact and the two other contacts is exactly opposite, the phase of the electronic wave functions of the arriving quasi-particles on the same superconducting contact are such, that these two quasi-particles can recombine by forming a Cooper-pair. Due to this mechanism, the emitted doublet of Cooper-pairs is coherently distributed as two Cooper-pairs, each of them in a different superconducting contact. This mechanism is favored, since it is robust with respect to disorder and can hence also exist over a large range of voltage. During this PhD, I have shown that these anomalies are indeed present for applied voltage corresponding to energies well above the Thouless energy. Argumentum a contrario, the coherent effects responsible for the ac Josephson-effect have to be strongly attenuated over the same range of energy, which makes low probable the effect of mode-locking.

La spectroscopie électronique basée sur l'effet tunnel donne accès à la densité d'états des électrons (DoS) dans les matériaux conducteurs, et renseigne ainsi en détail sur leurs propriétés électroniques. <br />Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope permettant d'effectuer la spectroscopie tunnel résolue spatialement (10 nm) de nanocircuits individuels, avec une résolution en énergie inégalée (10 µeV). Cet appareil combine les fonctions de Microscopie par Force Atomique (mode AFM) et de spectroscopie Tunnel locale (mode STM), et fonctionne à 30 mK. Dans le mode AFM, la topographie de l'échantillon est imagée grâce à un diapason en quartz piézoélectrique, ce qui permet de repérer les circuits. La spectroscopie tunnel peut ensuite être faite sur les zones conductrices. <br />Avec ce microscope, nous avons mesuré la DoS locale dans une structure hybride Supraconducteur-métal Normal-Supraconducteur (S-N-S). Dans un tel circuit, les propriétés électroniques de N et de S sont modifiées par l'effet de proximité supraconducteur. Notamment, pour des fils N courts, nous avons pu observer -comme prédit- la présence d'un gap dans sa DoS, indépendant de la position dans la structure : le “minigap”. De plus, en modulant la phase supraconductrice entre les deux S, nous avons mesuré la modification de ce gap, et sa disparition lorsque la différence de phase vaut π. <br />Nos résultats expérimentaux pour la DoS, ainsi que ses dépendances en phase, en position, et en longueur de N sont en accord quantitatif avec les prédictions de la théorie quasiclassique de la supraconductivité. Certaines de ces prédictions sont observées pour la première fois.