Cette thèse présente le travail expérimental effectué pour observer la dynamique quantique de Zénon (QZD) dans une architecture 'circuit-QED' tridimentionnelle fonctionnant à très basse température. Dans cette architecture, un circuit supraconducteur de type transmon, jouant le rôle d'un atome artificiel, est couplé au champ électromagnétique d'une cavité microonde. Les niveaux d'énergie de l'atome et de la cavité sont alignés d'une nouvelle manière, afin de manipuler les états de Fock individuels de la cavité, tout en minimisant sa non-linearité Kerr induite par le transmon. La dynamique Zénon est obtenue en pilotant classiquement le champ de la cavité, tout en excitant fortement une transition inter-niveaux d'énergie du transmon, conditionnée à un état de Fock particulier. Ce forcage maintient la population de l'état de Fock à zéro, et conduit à la dynamique Zeno. Cette dynamique est observée par mesure de sa fonction de Wigner à intervalles de temps réguliers, soit par tomographie de Wigner, soit par tomographie quantique standard et reconstruction de la matrice densité. Nous observons trois exemples de QZD, et analysons la décohérence observée à l'aide simulations quantiques du système. / This thesis presents experimental work aimed at observing the quantum Zeno dynamics (QZD) in 3D circuit-QED, where an artificial atom, consisting of a superconducting circuit called a transmon, is coupled to the electric field of a microwave cavity resonator. The transmon and resonator energy levels are aligned in a novel way enabling the manipulation of individual Fock states of the cavity, while minimizing its transmon-induced Kerr non-linearity. We induce the QZD by displacing classically the cavity field while continuously driving strongly a transmon transition specific to a particular Fock state, which keeps this Fock state population at zero. The QZD is then observed by measuring the Wigner function of the fields at regular time intervals, either by Wigner tomography or standard quantum tomography and reconstruction of the density matrix. We observe three examples of QZD, and analyze the observed decoherence with the help of quantum simulations of the system.

Actuellement, l’immense majorité des aimants supraconducteurs, notamment d’IRM, sont refroidis par un bain d’hélium liquide à pression atmosphérique. Néanmoins, ce type de refroidissement est onéreux et impose des contraintes sécuritaires importantes pour les grands volumes. Pour ces raisons, le refroidissement des aimants supraconducteurs est souhaitable sans l’hélium liquide. L’utilisation de cryogénérateur permet de refroidir par conduction solide jusqu’à 4 K et ainsi supprimer l’hélium liquide. Néanmoins, les faibles puissances disponibles combiner aux difficultés de mise en œuvre de ce type de refroidissement rendent difficile l’utilisation dans ces conditions du NbTi. En revanche à 10 K, la puissance des cryogénérateurs augmente d’un facteur 10, mais l’utilisation d’un supraconducteur à haute température critique est alors nécessaire. Notre choix s’est porté sur les conducteurs MgB2 R & W qui ont l’avantage d’être relativement économique à mettre en œuvre, mais qui ont, en revanche, le défaut d’être sensible à la déformation. Il est donc nécessaire d’être soigneux lors de leurs bobinages pour ne pas dégrader leurs performances supraconductrices. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un insert froid refroidis par conduction solide permettant de mesurer le courant critique des conducteurs MgB2 R & W ainsi que des maquettes. Pour ce faire, un nouveau type de contact thermique à base de nitrure d’aluminium a été développé. En complément, nous avons conçu deux maquettes d’aimant MgB2 R & W : un solénoïde et une double galette. Cette dernière a été fabriquée (grâce à une nouvelle méthode de bobinage brevetée) et testée avec succès. / Currently, the majority of superconducting magnets, including MRI, are cooled by a bath of liquid helium at atmospheric pressure. Nevertheless, this type of cooling is expensive and imposes significant security constraints for large volumes. For these reasons, the cooling of superconducting magnets is desirable without liquid helium. Cryocooler provides dry cooling to 4 K without any liquid helium. However, the power available is low and dry cooling is difficult. In these conditions, it is complicate to use NbTi with dry cooling. But if we increase the operating temperature to 10 K, the power of cryocooler increases by a factor of ten. Nevertheless in this case, it is necessary to use of a high critical temperature superconductor. We choose to use MgB2 R & W conductors because it is relatively low cost but it has the handicap to be sensible at mechanical stress. It is therefore necessary to be careful during their winding to not degrade their superconducting performance. As part of this thesis, we have developed a dry test facility to measure the critical current of MgB2 R & W conductors as well as mock-ups. To do this, a new type of thermal contact based on aluminum nitride has been developed. In addition to this development, we designed two MgB2 R & W magnet mock-ups: a solenoid and a double pancake. The double pancake was manufactured (with a new patented winding method) and it has been successfully tested.

Ce projet de thèse porte sur le développement d'un dispositif instrumental basé sur les propriétés de non linéarité intrinsèques au matériau supraconducteur YBa2Cu3O7, qui restent jusqu'à présent peu explorées dans le régime radiofréquence (RF). Ceci, dans l'objectif de contrôler la commutation d'antennes supraconductrices ultrasensibles dédiées à l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), de l'état supraconducteur à un état dissipatif. L'implémentation des antennes SHTC en imagerie permet d'atteindre les plus grandes sensibilités de détection observées actuellement en IRM à champ clinique, ce qui ouvre la voie au développement de l'imagerie moléculaire d'agents de contraste. Leur utilisation demeure cependant trop minoritaire et ce, entre autre, à cause de l'incompatibilité de la mise en œuvre des antennes YBa2Cu3O7 avec les méthodes de détection quantitative actuellement implémentées en imagerie moléculaire. Comme les techniques habituelles de découplage d'antennes ne sont pas transposables aux matériaux supraconducteurs, l'inactivation des antennes YBa2Cu3O7 à des échelles de temps compatibles avec une séquence IRM (< 1 msec) est un véritable défi, à la fois scientifique et technologique. Ce travail de recherche a pour but d'évaluer les performances de matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l' YBa2Cu3O7 en champ magnétique et dans le domaine des RF, en fonction de leurs propriétés nano-structurales et géométriques, et de développer un système permettant une commutation ultra rapide (ms) de l'état supraconducteur à l'état dissipatif et réciproquement, afin d'éviter le phénomène de concentration du flux magnétique lors de la phase émission, et de préserver la sensibilité du résonateur supraconducteur lors de la phase détection. / The aim of this work is to develop an instrumental device based on the nonlinear behaviour of superconducting materials such as YBa2Cu3O7 as a function of the emitted rf power, with the objective of controlling the switch between the zero resistance state and a dissipative state. This will then be applied to superconducting ultra-sensitive coils dedicated to magnetic resonance imaging (MRI). The implementation of HTS coils for biomedical imaging improves the sensitivity of the acquired images in standard clinical MRI devices. The superconducting coils are currently not implemented because of their incompatibility with quantitative detection methods used in molecular imaging today. As usual decoupling techniques for pick-up coils are not transferable to superconducting materials, the inactivation of superconducting YBa2Cu3O7 coils is a technical and a scientific challenge. The overall objective of this research work is to evaluate the performance of HTS materials in non-zero magnetic fields, in the radiofrequency regime, as a function of the nanostructural and geometric attributes of the material. Based on this, I shall develop a system for ultra-fast switch (msec) from the superconducting state to the dissipative state and vice versa, to avoid the phenomenon of of magnetic flux concentration during the emission phase.

Ferromagnétisme et supraconductivité sont habituellement considérés comme deux ordres antagonistes, aussi la découverte de leur coexistence dans URhGe et UGe2 a généré beaucoup d'intérêt. Le mécanisme expliquant un tel état n'a cependant pas encore était totalement élucidé. La supraconductivité dans ces composés serait non conventionnelle: les fluctuations magnétiques pourraient être responsables de l'appariement des électrons en paires de Cooper avec des spins parallèles.<br /><br />Cette thèse porte sur l'étude du composé ferromagnétique supraconducteur URhGe. URhGe devient ferromagnétique en dessous d'une température de Curie de 9,5 Kelvin, avec des moments spontanés alignés selon l'axe c de sa structure orthorhombique. Pour des températures inférieures à 260 mK et des champs plus petits que 2 Tesla, une phase supraconductrice a été observée dès 2001. Au cours de cette thèse une deuxième phase supraconductrice induite sous champ a été mise en évidence dans des monocristaux pour des hauts champs magnétiques appliqués selon l'axe b des cristaux. Cette deuxième poche de supraconductivité enveloppe une transition métamagnétique ayant lieu pour un champ de 12 Tesla. Nous présentons dans ce manuscrit une étude détaillée de cette supraconductivité et de sa relation avec la transition métamagnétique. Nous discutons de l'existence d'un point critique quantique dans le diagramme de phase magnétique et du rôle des fluctuations magnétiques émergeant de ce point critique quantique dans le mécanisme d'appariement des électrons.

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.

Cette thèse porte sur la dynamique quantique dans un dcSQUID inductif. Ce dispositif est une boucle supraconductrice interrompue par deux jonctions Josephson. Sa dynamique est analogue à celle d'une particule massive évoluant dans un potentiel bidimensionnel. Dans la limite quantique, le dcSQUID se comporte comme un atome artificiel à deux degrés de liberté, contrôlé par le courant et le flux de polarisation. Dans la limite où l'inductance de la boucle est petite devant celle des jonctions, celles-ci sont fortement couplées. La dynamique du circuit est alors celle d'un oscillateur anharmonique quantique unidimensionnel. Dans la limite des deux premiers niveaux d'énergie, ce circuit est un qubit de phase. Jusqu'alors la décohérence dans ce circuit était dominée par le bruit en courant. Nous montrons, par des mesures de spectroscopie et d'oscillations cohérentes, que l'effet du bruit en courant s'annule à courant de polarisation nul, permettant une augmentation des temps de cohérence. Dans la limite où l'inductance de la boucle est grande devant celle des jonctions, la dynamique devient bidimensionnelle. Le circuit exhibe alors un spectre d'énergie riche qui peut être décrit comme celui de deux oscillateurs anharmoniques couplés, correspondant aux modes d'oscillations symétrique et antisymétrique des phases des deux jonctions. Nous mettons en évidence ce spectre par des mesures de spectroscopie et nous démontrons la manipulation cohérente des états quantiques de chaque mode. En particulier nous mettons en évidence un couplage non-linéaire entre les deux modes, dans une limite de couplage fort. Ce couplage nous permet alors d'observer des oscillations cohérentes entre les deux modes internes de cet atome artificiel. De plus, dans ce manuscrit, nous présentons une technique innovante de fabrication de jonctions métalliques par évaporations sous angles qui n'a pas recours à un pont de résine suspendu. Finalement nous proposons un modèle simple basé sur les effets de chauffage qui explique pour la première fois une anomalie récurrente observée dans les caractéristiques courant-tension des dcSQUID. / This thesis focuses on the quantum dynamics in inductive dcSQUID. This device is a superconducting loop interrupted by two Josephson junctions. Its dynamics can be described as a massive fictitious particle in a two dimensional potential. A dcSQUID behaves as an artificial atom with two degrees of freedom, controlled by current and flux bias. When the loop inductance is smaller than the Josephson inductance, the junctions are strongly coupled. The device is then described as a one dimensional quantum anharmonic oscillator. In the limit of the two lowest energy levels, a dcSQUID is a phase qubit. Until now decoherence was dominated by the current noise. We show by spectroscopic measurement and coherent oscillations measurement that the effect of the current noise vanishes at zero current bias, enabling longer coherence times. When the loop inductance is larger than the Josephson inductance, the dynamics becomes two dimensional. The device exhibits a rich energy spectrum which can be describe as the one of two coupled anharmonic oscillators, corresponding to symmetric and antisymmetric oscillations modes of the phases across each junctions. We present spectroscopic measurement of this spectrum. We demonstrate the coherent manipulation of the quantum states of each mode. We show evidence of non linear coupling between the modes, in the strong coupling regime. This coupling enables the measurement of coherent oscillations between the internal modes of this artificial atom. In addition we present a novel fabrication technique that allows metallic junction fabrication by angle evaporation without the use of suspended bridge of resist. We propose also a simple model based on heating effects that explain for the first time a frequent anomaly in the IV characteristic of dcSQUID.

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La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide / The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

Cette thèse est consacrée à l'étude mathématique de quelques modèles suggérés par la théorie de la supraconductivité. Plus spécifiquement, nous étudions le modèle de Ginzburg-Landau simplifié (sans champ magnétique) en présence de condition de type Dirichlet ou du type degrés prescrits. Dans une première partie nous traitons le problème d'existence de minimiseurs locaux dans un domaine multiplement connexe du plan pour des conditions de type degrés prescrits. La deuxième partie traite l'effet d'un terme de chevillage dans l'énergie de Ginzburg-Landau (GL) bi-dimensionnelle en imposant une condition de type Dirichlet. Cette partie se décompose en trois chapitres. On commence par l'étude d'un terme de chevillage qui est étagé et qui prend une valeur différente de 1 uniquement en un nombre fixe de sous domaines (aussi appelés inclusions) dont la taille tend vers zéro. Dans le chapitre suivant, nous considérons le cas d'un terme de chevillage sans hypothèse de structure particulière dans le cas où la donnée au bord est de degré nul. Dans le dernier chapitre de la deuxième partie, nous traitons le cas d'un terme de chevillage étagé et uniformément distribué avec une condition de type Dirichlet de degré non nul. On montre que la vorticité est quantifiée et localisée dans les inclusions. La dernière partie s'intéresse à l'effet d'un terme de chevillage étagé dans un domaine tridimensionnel avec une condition de Dirichlet. Les résultats préliminaires que nous présentons permettent d'appréhender la manière dont les filaments de vorticité sont "tordus" par l'effet du terme de chevillage / This thesis is devoted to the mathematical study of some models suggested by the theory of the superconductivity. More specifically, we consider the simplified model of Ginzburg-Landau (without magnetic field) in presence of a Dirichlet or a degree condition. In the first part we treat the existence problem of local minimizers in a multiply connected domain of the plan with prescribed degrees conditions. In the second part, we discuss the effect of a pinning term in the two-dimensional Ginzburg-Landau functional. This part is divided in three chapters. We first consider the situation of a pinning term (depending on the Ginzburg-Landau parameter) which is a simple function and takes a value different to 1 only in a fixed number of subdomains (also called inclusions) whose size tends to zero. We prove that, considering a Dirichlet condition with a non zero degree, the vorticity is quantized and localized inside the inclusions. In the second chapter, we consider the situation of a pinning term without specific structure. We imposed a Dirichlet boundary condition with a null degree. In the last chapter of the second part, we deal with the case of a simple and uniformly distributed pinning term. We impose a Dirichlet boundary condition with a non zero degree. The last part deals with the effect of a simple pinning term (independent of the Ginzburg-Landau parameter) in the three-dimensional Ginzburg-Landau functional. The preliminary results we present allow to understand how the vorticity lines are bent under the effect of the pinning term

Dans cette thèse, nous avons étudié par spectroscopie tunnel STM associée à des mesures de transport, les propriétés supraconductrices de films ultra-minces de nitrure de titane (TiN) et d'oxyde d'indium amorphe. Ces deux matériaux fortement désordonnés présentent, à température nulle, une transition de phase quantique entre un état supraconducteur et un état isolant lorsque l'épaisseur diminue ou lorsqu'un champ magnétique perpendiculaire au film est appliqué. Bien que le désordre de ces films soit considéré comme homogène, notre étude de spectroscopie tunnel effectuée à une température de 50 mK a révélé de fortes inhomogénéités du gap supraconducteur qui sont apparues d'autant plus fortes que le désordre est proche du désordre critique. Cette observation permet de décrire les films proches de la transition supraconducteur-isolant par un système d'îlots supraconducteurs percolant par couplage Josephson. L'application d'un champ magnétique dans un tel système détruit ces liens faibles et restaure l'état isolant sous-jacent sous forme d'une magnétorésistance géante. Nous avons aussi étudié le régime de fluctuations thermodynamiques du paramètre d'ordre supraconducteur au-dessus de la température critique Tc. Dans les films minces, ces fluctuations se traduisent par un élargissement de la transition et par la formation d'un pseudogap dans la densité d'états à un électron. Nous avons mesuré dans les films de TiN un fort pseudogap qui s'étend sur une grande gamme de température au-dessus de Tc. Ce pseudogap résulte de l'effet des fluctuations supraconductrices combinées à l'anomalie de Coulomb renforcée par le désordre.