Les cryo-aimants supraconducteurs sont des sources de champs magnétiques intenses, compactes et peu gourmandes en énergie. Il existe diverses méthodes d’aimantation mais seule l’aimantation par champ magnétique pulsé (PFM) permet d’obtenir des champs excitateurs élevés sans recourir à des bobines supraconductrices refroidies.Basé sur une collaboration industrielle, ce travail a été consacré dans un premier temps à la conception d’un générateur de courant pulsé compact et évolutif générant des rampes de pulse de polarité réglage pouvant atteindre 3000A.Dans un second temps, nous avons mis en place les différents systèmes permettant l’aimantation des cryo-aimants refroidis soit à 77 K, soit dans un cryostat refroidi par un cryo-générateur.Enfin, l’aimantation par pulses de champ des cryo-aimants supraconducteurs a montré la possibilité de piéger un champ magnétique de l’ordre du tesla, réversible et reproductible. Les résultats obtenus répondent aux impératifs industriels de l’étude. Ils sont très encourageants pour le développement d’un dispositif de champ magnétique réversible à base de cryo-aimants supraconducteurs pour l’instrumentation scientifique ou pour les applications électrotechniques. / Superconducting cryomagnets are high magnetic fields sources that are both compact and energy efficient. There are various magnetization technics but only the magnetization by pulsed magnetic field (PFM) results in high excitation fields, that otherwise could only be obtained with large superconducting coils.This work was done in the framework of an industrial collaboration. In a first step, a compact and innovative pulse current generator enabling the generation of pulses with a 3000 Amps maximum intensity was designed and fabricated. Secondly, different systems for the magnetization of cryo-magnets either cooled down to 77 K or cooled in a cryostat by a cryo-generator were implemented. Finally, the pulsed field magnetization of superconducting cryo-magnets has shown that reversible and reproducible magnetic field in the one Tesla range could be generated by the set up.The results obtained are consistent with the industrial goals of this study. They are very encouraging for the development of reversible magnetic field devices based on superconducting cryo-magnets and dedicated to scientific instrumentation or for electrotechnical applications.

Motivées par des données expérimentales sur la magnétisation de réseau de nanofils de plomb, les résolutions numériques des équations stationnaires de Ginzburg-Landau (GL) se sont focalisées sur les géométries à symétrie axiale. L'effet Meissner, les états représentant un vortex d'Abrikosov ou encore des Vortex Géants (``GiantVortex') centrés à l'origine du cylindre ont alors pu être identifiés sous l’hypothèse d’invariance sous rotation selon l’axe de symétrie du cylindre étudié (modèle à une dimension, 1D). En identifiant le type de transition par le caractère continu ou non du paramètre d'ordre autour du changement de phase, une frontière à l'échelle mésoscopique a également pu être identifiée au travers du modèle 1D. Plus spécifiquement, la limite entre les deux types de transitions décrite par le paramètre phénoménologique κ = λ /ξ ( =1/√2 à l’échelle macroscopique) devient une fonction non constante dépendant à la fois du rayon normalisé, u=R/λ, et de la vorticité L: κ =f(u,L). Les deux longueurs caractéristiques λ et ξ représentent respectivement les longueurs de pénétration et de cohérence d’un échantillon supraconducteur. Une comparaison avec les résultats obtenus par Zharkov permet de valider notre démarche numérique employée pour la résolution numérique des équations de GL à une dimension. En employant un modèle à deux dimensions (2D), la symétrie sous rotation des solutions a également été relâchée. Basée sur le principe de moindre action, la résolution propose alors un schéma numérique indépendant du type d'équations du mouvement à solutionner. Les configurations du type MultiVortex ont alors pu être identifiées, et comparées aux solutions du groupe du Professeur F. Peeters. Ces différents accords ont confirmé la démarche développée. Une modélisation de la magnétisation expérimentale d'un réseau de nanofils a également été développée. De par la taille réduite des nanofils, l'interaction magnétique entre ceux-ci a pu être négligée. La magnétisation totale du réseau est alors construite par une sommation incluant la contribution individuelle en magnétisation de chaque fil, pondérée par un poids reflétant une distribution gaussienne pour les rayons des fils constituant le réseau. La magnétisation individuelle est évidemment obtenue par résolution des équations du mouvement de GL précédemment étudiées avec les modèles 1D et 2D. En ajustant les paramètres libres associés à ce modèle décrivant la magnétisation totale du réseau, les données expérimentales ont pu être reproduites endéans 10% de marge d'erreur, l'intervalle d'incertitude caractéristique de la théorie effective de Ginzburg-Landau. Ces variables attachées au modèle de la magnétisation totale, reprennent la valeur moyenne m et l'écart-type s de la distribution gaussienne, ainsi que les longueurs caractéristiques λ(T) et ξ(T) présentes dans la théorie de GL. Un test totalement indépendant de l'analyse des magnétisations a permis de valider les valeurs déterminées pour la distribution des rayons. Les grandeurs ajustées pour les longueurs λ(T) et ξ(T) ont fait l'objet d'une analyse supplémentaire en termes de leur dépendance en température et du libre parcours moyen des électrons. Malgré l'accord entre les données expérimentales et la magnétisation théorique, il est important de mentionner qu'un paramètre libre supplémentaire, associé à l'apparition de configurations décrivant un vortex magnétique, a dû être introduit. Il modifie empiriquement la métastabilité trop longue en mode champ externe décroissant de l'état décrivant un vortex d'Abrikosov. La correction expulse donc le vortex avant sa prédiction théorique liée à la disparition de la barrière de Bean-Linvingston. Une étude plus approfondie de cette barrière de potentiel fut donc également réalisée. Cependant, elle n'est pas concluante en regard des données expérimentales analysées. Il n'en demeure pas moins que la transition apparaît dans un domaine en champ magnétique cohérent vis-à-vis de la description en énergie libre des états de vorticités voisines d'une unité de quantum de flux magnétique. La correspondance entre les longueurs caractéristiques du modèle phénoménologique de GL et les longueurs issues des théories microscopiques de Pippard et BCS a également abordée. Cette étude permet entre autre de comparer les différentes dépendances possibles en température avec les longueurs obtenues de l'analyse de magnétisation des nanofils en plomb. Au delà de l'accord avec le modèle des deux-fluides de Gorter et Casimir, une extrapolation bien en deçà de la température critique Tc est proposée pour les paramètres phénoménologiques λ(T) et ξ(T) de Ginzburg-Landau. Même si la correspondance entre les magnétisations expérimentales et théoriques semblait déjà l'indiquer, il est possible d'appliquer les équations de Ginzburg-Landau pour décrire le comportement magnétique du plomb bien en deçà de sa température critique. De plus, les paramètres associés possèdent une dépendance tout à fait conforme à une autre théorie empirique, le modèle des deux-fluides. Basée sur le modèle de Pippard, une détermination de la valeur du libre parcours moyen des normaux a également été isolée. Elle justifie alors une distinction entre les deux échantillons analysés en terme de leur degré d'impureté. Les résultats électrons obtenus étant en accord avec les procédures de fabrication des nanofils de plomb, cette nouvelle constatation, positive avec l'expérience, confirme une fois de plus la cohérence du modèle développé pour la magnétisation totale, et justifie l'emploi des équations de GL à toutes les températures en dessous de Tc. / Mesoscopic superconductors are described within the framework of the nonlinear Ginzburg-Landau theory. The two coupled nonlinear equations are solved numerically and we investigate the properties, in particular the order of the transition and the vortex configurations, of cylinders submitted to an external magnetic field. Meissner state, Abrikosov vortices, GiantVortex and MultiVortex solutions are described. The Bean-Livingston barrier in mesoscopic cylinders is also numerically studied. This theoretical work was applied to understand experimental magnetizations of lead nanowires in an array well below the superconducting transition temperature Tc. By freely adjusting the GL phenomenological lengths λ (T) and ξ (T), the experimental magnetization curves are reproduced to within a 10% error margin. The Meissner and the Abrikosov state were also experimentally observed in this apparently type-I superconductor. This fact is a consequence of the non-trivial behaviour of the critical boundary κ _c ($=1/√2 in bulk materials) between type-I and type-II phase transition at mesoscopic scales. Beyond the experimental-theoretical agreement, the question whether the GL model remains valid far below Tc is also addressed. The temperature dependence of the adjusted characteristic lengths is compared with different theoretical and empirical laws. The best agreement is achieved for the Gorter-Casimir two-fluid model. A comparison between lead nanowire arrays electrodeposited under constant and pulsed voltage conditions allows us to distinguish both samples in terms of their electronic mean free paths. The characterisation of the latter quantities concurs perfectly with the experimental expectation given the different electrodeposition techniques.

La résonance plasma Josephson a permis de détecter précisément l'évolution de la densité suprafluide hors plan dans le Bi2Sr2CaCu2O8+∂ sous-dopé en fonction du désordre cristallin. La comparaison avec plusieurs résultats de la littérature a permis de montrer que le transport des charges est réalisé par effet Josephson incohérent par opposition au cas optimalement dopé. Tandis que l'évolution des propriétés supraconductrices au sein des plans est bien interprétée dans le cadre de la théorie d'Abrikosov Gor'kov, le transport interplan des paires de Cooper est assuré par diffusion anisotrope dans la limite de Born sur les défauts présents entre les couches CuO2. Ce résultat est en accord avec la récente proposition qui relie les modulations spatiales du gap supraconducteur à la présence des défauts d'oxygène entre les plans. Concernant les propriétés de l'état mixte, la résonance plasma a pu montrer que le rajout d'une composante parallèle aux plans CuO2 du champ magnétique à un liquide de pancakes, permet d'induire des corrélations spatiales. Cet effet est dû à la réorganisation des courants supraconducteurs. Là encore, seule la résonance plasma Josephson permet de sonder l'état liquide des vortex en raison de sa grande fréquence par rapport aux mouvement de vortex.

Dans le contexte des améliorations du LHC, des efforts importants sont fournis pour concevoir des aimants d'accélérateurs utilisant l'alliage supraconducteur Nb3Sn, qui permet d'atteindre des champs magnétiques plus élevés (>12T). Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes de calcul et de fabrication de dipôles à haut champ en Nb3Sn. Une isolation céramique, mise au point précédemment au CEA Saclay, a été testée pour la première fois sur des câbles, dans les conditions d’utilisation d’un aimant d’accélérateur. Des mesures de courant critique sous champ magnétique et contrainte mécanique ont notamment été réalisées. Ces campagnes d’essais ont révélé que l’isolation céramique actuelle est trop fragile mécaniquement et que les propriétés de courant critique sont dégradées. Une étude a ensuite été menée, afin d’améliorer la tenue mécanique de l’isolation et de mieux répartir les contraintes à l’intérieur du câble. Des méthodes de conception magnétique ont par ailleurs été proposées afin d’optimiser la forme des bobinages, tout en respectant des contraintes d’homogénéité de champ, de marges de fonctionnement, de minimisation des efforts… Pour cela plusieurs codes d’optimisation ont été élaborés. Ils se basent sur des méthodes nouvelles utilisant des formules analytiques. Un code 2D a d’abord été élaboré pour des conceptions en blocs rectangulaires. Ensuite, deux codes 3D ont été conçus pour l’optimisation des têtes de dipôles. Le premier consiste à modéliser le bobinage à l’aide de blocs élémentaires, et le deuxième se base sur une modélisation des câbles supraconducteurs par des rubans. Ces codes d’optimisation ont permis de proposer des configurations magnétiques pour des aimants à haut champ. / In the framework of LHC upgrades, significant efforts are provided to design accelerator magnets using the superconducting alloy Nb3Sn, which allows to reach higher magnetic fields (>12T). The aim of this thesis is to propose new computation and manufacturing methods for high field Nb3Sn dipoles. A ceramic insulation, previously designed at CEA Saclay, has been tested for the first time on cables, in an accelerator magnet environment. Critical current measures, under magnetic field and mechanical stress, have been carried out in particular. With this test campaign, the current ceramic insulation has been shown to be too weak mechanically and the critical current properties are degraded. Then a study has been conducted, with the objective to improve the mechanical strength of the insulation and better distribute the stress inside the cable. Methods of magnetic design have also been proposed, in order to optimize the coils shape, while fulfilling constraints of field homogeneity, operational margins, forces minimization… Consequently, several optimization codes have been set up. They are based on new methods using analytical formulas. A 2D code has first been written for block designs. Then two 3D codes have been realized for the optimization of dipole ends. The former consists in modeling the coil with elementary blocs and the latter is based on a modeling of the superconducting cables with ribbons. These optimization codes allowed to propose magnetic designs for high field accelerator magnets.

Les accouplements (ou coupleurs) magnétiques servent à transmettre le couple d'un moteur vers sa charge sans contact mécanique. La suppression de ces contacts permet de réduire les bruits et vibrations, d'augmenter la fiabilité et d'assurer l'étanchéité dans des environnements difficiles. Dans le cas des moteurs supraconducteurs, un accouplement utilisant des matériaux supraconducteurs permet une nette augmentation des performances tout en transmettant le couple entre un environnement cryogénique (cryostat) et la température ambiante. Ce mémoire porte sur l'étude de coupleurs magnétiques à base de supraconducteurs à haute température critique (HTC) et d'aimants permanents. Deux topologies sont proposées, l'une à flux radial et l'autre à flux axial. Des outils analytiques et numériques sont développés pour le dimensionnement des accouplements étudiés. Un modèle analytique 2D de calcul du champ magnétique dans un accouplement supraconducteur à flux radial est développé et validé par éléments finis. Ce modèle est par la suite utilisé dans une procédure d'optimisation par algorithmes génétiques. L'objectif étant de rechercher les dimensions de l'accouplement qui maximisent le couple et minimisent la longueur du fil supraconducteur. Un prototype d'accouplement à flux axial est aussi réalisé. Plusieurs essais de caractérisation des bobines HTC sont menés. Des résultats de mesure de champ magnétique, de courant critique et de couple sont présentés / Magnetic couplings (or couplers) are used to transmit torque from a prime mover to its load without mechanical contact. This contactless transmission allows to reduce noise and vibration, to increase reliability and ensure hermetic isolation in severe environments. When the prime mover is a superconducting motor, a coupler which uses superconducting materials has more torque transmission capabilities and enables to transmit torque between a cryogenic media (cryostat) and the ambient temperature. This work focuses on the study of magnetic couplers using high temperature superconductors (HTS) and permanent magnets. Radial and axial field magnetic couplings, for which we developed analytical and numerical design tools, are proposed. A 2D analytical model for calculating the magnetic field distribution in a flux focusing HTS coupling is developed and validated by finite element computations. This model is then embedded in a genetic algorithms optimization procedure. The aim is to find the dimensions of the coupling that maximize torque and minimize the overall length of the HTS wires. A prototype axial field HTS coupler has been also designed, constructed and tested. Several tests have been conducted to characterize the HTS coils. Results of magnetic field, critical current and torque measurements are presented

Le travail effectué dans cette thèse a pour thème central la conception d’un aimant quadripolaire supraconducteur en Nb-Ti destiné à remplacer à l’horizon 2014 les aimants d’insertions actuellement utilisés dans le grand collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN de Genève. Ce nouveau quadripôle, caractérisé par un diamètre d’ouverture encore jamais atteint (120 mm), ouvre la voie vers les quadripôles à grandes ouvertures. Tout d’abord, pour rapidement estimer l’énergie magnétique stockée dans un quadripôle de type cos2?, une formule analytique basée sur la décomposition en série de Fourier du courant et permettant d’estimer l’énergie avec une précision de 10 % est développée. Le design magnétique de la section transverse de la bobine du quadripôle est ensuite réalisé en utilisant une nouvelle méthode d’optimisation basée sur les équations analytiques du champ magnétique. Puis, pour la première fois, une estimation de la reproductibilité dans le positionnement des blocs de conducteurs dans des aimants Nb3Sn est faite. Elle a été réalisée à l’aide d’une méthode existante et grâce à la production récente de deux séries d’aimants Nb3Sn. Une comparaison avec les valeurs obtenues pour des aimants en Nb-Ti est présentée. Ensuite, une méthode analytique basée sur les statistiques et permettant d’expliquer certains phénomènes observés sur la dispersion des mesures magnétiques dans une série de quadripôles est développée. Enfin, on montre que l’incertitude sur la moyenne des harmoniques de champ est due pour la majorité des harmoniques à un phénomène statistique lié au nombre limité d’aimants dans la série et non à des erreurs systématiques / The main objective of the work presented in this thesis is the design of a quadrupole magnet based on Nb-Ti. It aims at replacing the current insertion quadrupoles used in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN by 2014. This new quadrupole features an unprecedented large aperture (120 mm) and opens the way toward large aperture quadrupoles. First, to rapidly estimate the magnetic energy stored in a cos2?-type quadrupole, an analytical formula based on the Fourier transform of the current is developed. It allows estimating the energy with a precision of 10 %. Secondly, the magnetic design of the quadrupole coil cross-section is realized using a novel optimization method based on analytical equations of the magnetic field. Subsequently, for the first time, an estimate of the reproducibility in the coil-blocks positioning in Nb3Sn magnets is given. The estimate has been obtained by using an existing method and from tow recently built Nb3Sn magnet series. A comparison with values obtained for Nb-Ti magnets is also presented. Following this, an analytical method based on statistics is developed. It makes possible to explain some phenomenon observed on the dispersion of the magnetic measurement in a quadrupole series. Finally, we show that the uncertainty in the mean of the magnetic field errors is for most of the harmonics related to statistical errors due to the limited number of magnets in the series, and not because of systematic defects in the coil

Nous proposons l’étude d’une machine supraconductrice à flux axial composée d’un stator bobiné en cuivre et d’un inducteur avec des solénoïdes supraconducteurs à hautes températures critiques (HTc). Ce type de machine est adapté pour des applications de fortes puissances (plusieurs MW) avec de faibles vitesses de rotation (quelques centaines de tr/min), comme la propulsion de navire. Un accouplement magnétique, intégré au moteur, est utilisé pour transmettre le couple de l’inducteur supraconducteur vers la charge à température ambiante sans contact. On peut ainsi se passer des « torques tubes » qui sont habituellement présents dans les moteurs supraconducteurs pour relier mécaniquement l’inducteur à la charge et ainsi réduire les pertes thermiques par conduction. De plus, les accouplements magnétiques offrent une protection naturelle contre les surcharges mécaniques. Pour évaluer les performances de la solution proposée, nous avons développé un modèle analytique en 3D prenant en compte le comportement non linéaire des supraconducteurs en fonction du champ magnétique appliqué et de la température de fonctionnement. Ce modèle est ensuite intégré dans un processus de dimensionnement utilisant un algorithme génétique multi objectifs. Les résultats de cette optimisation montrent un gain en compacité (machine avec accouplement magnétique) 2 à 3,5 fois plus importants par rapport à des machines conventionnelles. Un prototype de machine supraconductrice à flux axial avec accouplement magnétique intégré est aussi réalisé. La conception, la fabrication et les tests sont présentés dans ce manuscrit. Tous les résultats sont validés par des calculs par éléments finis. / The study of an axial-field high temperature superconducting (HTS) motor for applications requiring high torque densities is proposed. The HTS motor consists of a stator with copper winding and an inductor with superconducting coils. A HTS magnetic coupler is used as a part of the system, to transmit the torque from the HTS motor to the load. This solution is a good alternative to the usually used torques tubes as it results in the reduction of conduction thermal losses and offers an intrinsic protection against overloads. To evaluate the performance of the studied device, a 3D electromagnetic analytical model has been developed. This model takes into account the dependence on the applied magnetic field and temperature of the HTS material. Finally, a genetic algorithms optimization of the studied device is carried out to find the optimum geometric dimensions. The results show that the proposed solution (machine with magnetic coupling) is about 2 to 3,5 times more compact than a conventional machine drive solution. An axial-field HTS motor with integrated magnetic coupling has been also designed, constructed and tested. The test results have been checked by 3D finite element computations.

Au cours des dernières années, le domaine de l'interaction lumière-matière a fait un pas de plus en avant avec l'avènement des qubits supraconducteurs couplés ultra-fortement à des guides d'ondes ouverts. Dans ce contexte, un qubit devient simultanément couplé à de nombreux modes du guide d'onde, se transformant ainsi en un objet hybride lumière-matière hautement intriqué. L'étude de nouveaux phénomènes dynamiques qui émergent de la grande complexité de ces systèmes quantiques à N-corps est l'objectif principal de cette thèse.Dans une première étape cruciale, nous abordons l'évolution dans le temps d'un tel système en utilisant une nouvelle technique numérique basée sur un développement complet du vecteur d'état en termes d'états cohérents multimodes. Inspirée par des approches semi-classiques antérieures, cette technique numériquement exacte fournit un progrès important par rapport aux méthodes de pointe qui ont été utilisées jusqu'à présent pour étudier le régime de couplage ultra-fort à N-corps. Fondamentalement, cette approche préserve également le détail de la dynamique du système complet réunissant le guide d'onde et le qubit, permettant à la fois d'effectuer la tomographie et d'extraire la diffusion multi-particule des degrés de liberté du guide d'onde.Une exploration du régime de couplage ultra-fort multi-mode utilisant cette nouvelle technique a conduit aux deux prédictions théoriques fondamentales de cette thèse. La première démontre que le rayonnement émis spontanément par un qubit excité prend la forme d'un chat de Schrödinger de lumière, un résultat étonnamment différent de l'émission de photon unique habituelle en optique quantique. La seconde prédiction concerne la diffusion de signaux cohérents de faible puissance sur un qubit, un protocole expérimental très courant en laboratoire. De façon remarquable, il est montré que la non-linéarité du qubit, transférée au guide d'onde par l'interaction ultra-forte avec la lumière, est capable de diviser les photons du faisceau entrant en plusieurs photons de plus basse énergie, conduisant à l'émergence d'un continuum basse fréquence dans le spectre de puissance, qui domine le signal hors-résonant. En étudiant la fonction de corrélation de second ordre dans le champ rayonné, il est également démontré que l'émission en couplage ultra-fort présente des signatures caractéristiques de la production de particules.Dans la dernière partie de la thèse, la fonction de corrélation de second ordre est à nouveau étudiée, mais cette fois expérimentalement, et dans le régime du couplage modéré. Bien que les mesures soient encore préliminaires, cette partie de la thèse présente un compte-rendu instructif de la théorie de la mesure du signal et permet de comprendre en détail la procédure expérimentale impliquée dans la mesure des signaux quantiques. De plus, à l'avenir, les développements expérimentaux et les outils de simulation décrits pourraient être appliqués aux signaux émis par des qubits ultra-fortement couplés, afin d'observer les signatures de production de particules révélées par la fonction de corrélation du second ordre. / In the recent years, the field of light-matter interaction has made a further stride forward with the advent of superconducting qubits ultra-strongly coupled to open waveguides. In this setting, the qubit becomes simultaneously coupled to many different modes of the waveguide, thus turning into a highly intricate light-matter object. Investigating the wealth of new dynamical phenomena that emerge from the high complexity of these engineered quantum many-body systems is the main objective of this thesis.As a first crucial step, we tackle the time-evolution of such a non-trivial system using a novel numerical technique based on an expansion of the full state vector in terms of multi-mode coherent states. Inspired by earlier semi-classical approaches, this numerically exact method provides an important advance compared to the state-of-the-art techniques that have been used so far to study the many-mode ultra-strong coupling regime. Crucially, it also keeps track of every detail of the dynamics of the complete qubit-waveguide system, allowing both to perform the tomography and to extract multi-particle scattering of the waveguide degrees of freedom.An exploration of the many-mode ultra-strong coupling regime using this new technique led to the two core theoretical predictions of this thesis. The first demonstrates that the radiation spontaneously emitted by an excited qubit takes the form of a Schrödinger cat state of light, a result strikingly different from the usual single-photon emission known from standard quantum optics. The second prediction concerns the scattering of low-power coherent signals on a qubit, a very common experimental protocol performed routinely in laboratories. Most remarkably, it is shown that the qubit non-linearity, transferred to the waveguide through the ultra-strong light-matter interaction, is able to split photons from the incoming beam into several lower-energy photons, leading to the emergence of a low-frequency continuum in the scattered power spectrum that dominates the inelastic signal. By studying the second-order correlation function of the radiated field, it is also shown that emission at ultra-strong coupling displays characteristic signatures of particle production.In the final part of the thesis, the second-order correlation function is investigated again, but this time experimentally, and in the regime of moderate coupling. Although the results are still preliminary, this part of the thesis will provide an instructive account of signal measurement theory and will allow to understanding in-depth the experimental procedure involved in measuring quantum microwave signals. Moreover, the experimental developments and microwave simulations tools described in this section could be applied in the future to signals emitted by ultra-strongly coupled qubits, in order to observe the signatures of particle production revealed by the second-order correlation function.

À l'interface entre l'optique, le magnétisme et la supraconductivité, nous cherchons à dévelop-per de nouveaux concepts pour la manipulation optique, la génération et l'étude des vortex d'Abrikosov individuels dans des systèmes supraconducteurs. D'une part, nous démontrons l'efficacité d'une méthode optique de génération spontanée d'une paire de vortex/anti-vortex par effet Kibble Zurek basée sur l'utilisation d'une impulsion laser focalisée à la surface d'un film supraconducteur. C'est une technique en champ lointain, rapide qui permet de créer et piéger une paire dans le condensat supraconducteur à une position stable et reproductible. Cette expérience est également adaptée à l'étude du scénario Kibble-Zurek, relatif à la nucléation spontanée de défauts topologiques, tels que les vortex d'Abrikosov, lors de transitions de phase rapides du second ordre. D'autre part, nous présentons les résultats d'une expérience pompe-sonde visant à étudier l'effet Faraday inverse dans le grenat de BiLuIG servant à l'imagerie magnéto-optique des vortex. Nous montrons qu'il est possible de générer un champ magnétique femtoseconde de plusieurs Tesla localisé dans le grenat grâce à une impulsion laser ultra-courte de polarisation circulaire. Ces résultats nous permettent d'étudier les conditions expérimentales pour une génération de paires de vortex/anti-vortex par méthode magnéto-optique, basée sur l'application d'un fort champ magnétique à la surface du supraconducteur. La possibilité de manipuler et générer les vortex, véritables nano-objets de l'état supraconducteur, offre des perspectives prometteuses quant au développement du contrôle optique de micro-circuits supraconducteurs tels que les jonctions Josephson. / At the interface between optics, magnetism and superconductivity, we want to develop new concepts for the optical manipulation, the generation and the study of individual Abrikosov vortices in superconducting systems. On one hand, we demonstrate the efficiency of an optical method to perform spontaneous generation of a single vortex/anti-vortex pair by Kibble Zurek effect, based on a laser pulse focused at the superconductor film surface. It is a fast far field method to create and trap a pair into the superconducting condensate at a reproducible and stable position. This experiment is also adapted to the study of the Kibble Zurek mechanism, describing nucleation of topological defects such as Abrikosov vortices during a fast second order phase transition. On the other hand, we present the results of a pomp-probe experiment to the study the inverse Faraday effect into a BiLuIG garnet used for magneto-optical imaging of vortices. We show the possibility to produce a strong femtosecond magnetic field of a few Tesla localized into the garnet with a circularly polarized ultra-short laser pulse. Those results lead to the determination of the experimental conditions necessary to generate a vortex/anti-vortex pair with a magneto-optical method based on the application of a strong magnetic field close to the superconductor surface. Fast optical manipulation and generation of vortices, which are intrinsic nano-objects of the superconducting state, should enable the development of optically driven superconducting micro-circuits such as Josephson junctions.

Dans cette thèse, nous étudions le comportement de circuits Josephson sous l'action de champs microondes forts. Les circuits Josephson dans le régime quantique sont une brique pour émuler une variété d'hamiltoniens, utiles pour traiter l'information quantique. Nous étudions ici le transmon, constitué d'une jonction Josephson et d'un condensateur en parallèle. À travers des simulations numériques et en comparant aux résultats expérimentaux, nous montrons que ces champs conduisent à une instabilité qui envoie le circuit sur des états qui ne sont plus confinés par le potentiel Josephson en cosinus. Quand le transmon occupe de tels états, le circuit se comporte comme si la jonction avait été remplacée par un interrupteur ouvert et toute non-linéarité est perdue, ce qui se traduit par des limitations sur les amplitudes maximales des hamiltoniens émulés. Dans une deuxième partie, nous proposons et étudions un circuit alternatif basé sur un transmon avec une inductance en parallèle, qui fournit un confinement harmonique. La dynamique de ce circuit est stable et bien capturée par un modèle moyennisé qui fournit alors un outil pratique pour l'analyse analytique ou les simulations rapides. Nous avons développé un nouvel outil de simulations modulaire et basé sur la théorie de FloquetMarkov pour permettre de simuler facilement d'autres circuits Josephson en évitant les limitations des analyses perturbatives. Enfin, nous étudions les propriétés d'une version asymétrique du Josephson Ring Modulator, un circuit actuellement utilisé pour l'amplification et la conversion, comme source de non-linéarité pour émuler les hamiltoniens d'interaction à deux et quatre photons requis pour l'encodage de l'information quantique sur des états de chats de Schrödinger. / In this thesis, we investigate the behavior of Josephson circuits under the action of strong microwave drives. Josephson circuits in the quantum regime are a building block to emulate a variety of Hamiltonians, useful to process quantum information. We are here considering a transmon device, made of a Josephson junction and a capacitor in parallel. Through numerical simulations and comparison with experimental results, we show that these drives lead to an instability which results in the escape of the circuit state into states which are no longer confined by the Josephson cosine potential. When the transmon occupies such states, the circuit behaves as if the junction had been removed and all non-linearities are lost, which translates into limitations on the emulated Hamiltonian strengths. In a second part, we propose and study an alternative circuit consisting of a transmon device with an extra inductive shunt, providing a harmonic confinement. This circuit is found to be stable for all pump powers. The dynamics of this circuit is also well captured by a time-averaged model, providing a useful tool for analytical investigation and fast numerical simulations. We developed a novel numerical approach that avoids the built-in limitations of perturbative analysis to investigate the dynamical behavior of both of these circuits. This approach, based on the Floquet-Markov theory, resulted in a modular simulation framework which can be used to study other Josephson-based circuits. Last, we study the properties of an asymmetric version of the Josephson Ring Modulator, a circuit currently used for amplification and conversion, as a more robust source of non-linearity to engineer two-photon and four-photon interaction Hamiltonians required for the catstate encoding of quantum information.