Il y a presque trente ans, un des problèmes les plus difficiles de la physique moderne voyait le jour: la supraconductivité à haute température critique dans les cuprates. Depuis, l'hypothèse nommée modèle Hubbard est rapidement devenu un des candidats les plus prometteurs à en détenir la solution. Dans ce contexte, ce mémoire présente des travaux de calculs numériques sur les phases de la matière prédites par le modèle de Hubbard. Le projet poursuit notamment deux objectifs. En premier lieu, on considère un couplage interplan dans le modèle, ce qui le rend plus réaliste que sa version 2D habituelle. Et en deuxième lieu, on laisse les phases antiferromagnétique et supraconductrice coexister avec en plus une autre phase supraconductrice de type pi-triplet. Plus de détails sur le contexte et ces deux objectifs sont présentés au chapitre 1 et le modèle de Hubbard est détaillé au chapitre 2. Pour obtenir des solutions numériques au modèle, les méthodes utilisées sont la théorie de champ moyen dynamique sur amas (CDMFT) et l'approximation de l'amas variationnel (VCA). Ces méthodes ainsi que le formalisme nécessaire pour les aborder sont présentés au chapitre trois. Notons qu'on utilise ces méthodes pour amas avec des méthodes de diagonalisation exacte qui ne feront pas partie de la discussion. Enfin, le dernier chapitre présente tous les résultats obtenus avec ce projet, qui mènent à deux conclusions principales. Premièrement, le couplage tridimensionnel tel qu'ajouté n'a pas fait ressortir de tendance nette dans les résultats. Cela indique une de deux choses: soit les effets interplans sont négligeables dans le modèle de Hubbard, soit il faudra les inclure d'une façon plus complète dans le futur. Deuxièmement, on observe que la phase pi-triplet apparaît lorsqu'il y a coexistence entre l'antiferromagnétisme et la supraconductivité dans le modèle mais que ces deux dernières phases se nuisent fortement l'une à l'autre, confirmant qu'il y a compétition de phases.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’industrialisation de la production des conducteurs utilisant les cuprates à haute température de transition pendant les deux dernières décennies offre aujourd’hui la possibilité de nouveaux développements dans le domaine du magnétisme supraconducteur. En particulier, nous nous intéressons ici aux applications des rubans supraconducteurs REBCO. Ceux-ci font partie des rares candidats disponibles à l’heure actuelle capables de fonctionner sous des inductions supérieures à 20 T aux températures de cryogénie classique (4,2 K), ce qui les rend quasiment incontournables dans le contexte des applications haut-champ. Parallèlement, leurs températures critiques élevées apportent également la possibilité de nouvelles conceptions d’aimants pouvant fonctionner à des températures allant jusqu’à 80 K environ. Ceci ouvre notamment la porte à de nouvelles options de cryogénie moins coûteuses, comme le refroidissement par azote liquide. Néanmoins, la mise en œuvre des rubans REBCO à l’intérieur de nouveaux aimants supraconducteurs se heurte dans certains cas au problème posé par les courants d’écrantages. Ce terme désigne les supercourants induits dans le matériau supraconducteur en réponse au champ extérieur. Ces courants parasites engendrent alors des perturbations sur le champ magnétique total produit par l’aimant : réduction de son amplitude, distorsions spatiales et instabilités temporelles. Ces multiples effets entrent généralement en collision avec les exigences sur la qualité de champ produite. Ainsi, comprendre le phénomène des courants d’écrantages, être capable de prédire sa dynamique et, idéalement, disposer de solutions afin d’y remédier, sont des tâches cruciales pour assurer la réussite des futurs projets d’aimants supraconducteurs REBCO. Cette thèse propose des éléments de réponse vis-à-vis de cette problématique. Le phénomène de courants d’écrantages y est tout d’abord approché de manière expérimentale au travers de la mesure de ses effets perturbateurs sur le champ magnétique de petits aimants tests REBCO. Les données expérimentales récoltées sont ensuite employées pour étayer le développement d’un modèle numérique de simulation magnétodynamique sous l’environnement open-source GetDP. Ce modèle est par ailleurs mis à l’essai avec de bons résultats dans le cas du dipôle 5,4 T EuCARD du CERN. Enfin dans une dernière partie, une investigation expérimentale est menée sur deux techniques capables de réduire, voire de supprimer intégralement, les impacts négatifs des courants d’écrantages sur le champ des aimants REBCO : le vortex shaking et l’overshoot en courant. Au travers de ces développements, cette thèse entend fournir aux concepteurs de futurs aimants supraconducteurs REBCO des moyens d’anticiper et de traiter les problèmes posés par les courants d’écrantages. / The industrialization of the production of high-transition temperature, cuprate-based conductors during the last two decades brings nowadays the possibility of new developments in the field of superconducting magnetism. In particular, we are interested here in the applications of superconducting REBCO tapes. Those belong to the few currently available candidates that are able to operate under magnetic induction above 20 T at classical cryogenic temperature (4.2 K), what makes them almost unavoidable in the scope of high-field applications. Besides, their high critical temperatures also bring the possibility for new magnet designs capable to operate up to temperatures of about 80 K. This notably opens the door to new, less expensive, cryogenic design options, like liquid nitrogen cooling.However, the practical implementation of REBCO tapes inside new superconducting magnets encounters a problem posed by screening currents. The latter term designates the supercurrents that are induced in the superconducting material in response to an external field. These parasitic currents then give rise to perturbations in the total magnetic field generated by the magnet: lowering of its magnitude, spatial distortions and time instabilities. Those various effects collide most of the time with the requirements on the produced field quality. Thus, understanding the phenomenon of screening currents, being able to predict its dynamic and, ideally, having of solutions to remedy this issue, are crucial tasks to ensure the success of future REBCO superconducting magnet projects.This Ph.D. work suggests some elements of answer with regard to this problematic. The phenomenon of screening currents is first approached experimentally, through the measurement of its disruptive effects of the magnetic field generated by small REBCO tests magnets. The experimental data gathered are then used to support the development of a numerical model for magnetodynamic simulations in the framework of the open-source environment GetDP. This model is furthermore tested with satisfactory results on the scenario of the 5.4 T EuCARD dipole developed by CERN. Finally, in a last section, an experimental investigation is conducted on two techniques capable at reducing, or even entirely suppressing, the negative impacts of the screening currents on the field of REBCO magnets: the vortex shaking and current overshoot.Across these developments, this Ph.D. work aims at providing the designers of future REBCO superconducting magnets with tools to anticipate and handle the issues caused by the screening currents.

La supraconductivité s’établit par une organisation collective des électrons, décrite dans le cadre de la théorie BCS par une même fonction d’onde macroscopique. En présence de fort désordre, la situation est plus complexe : le désordre induit un renforcement des interactions coulombiennes et une localisation des électrons, s’opposant à l’établissement de la supraconductivité. Pour un désordre critique, la supraconductivité est détruite et le système devient métallique ou isolant. A 2D, en l’absence de fortes interactions coulombiennes, la théorie de la localisation d’Anderson interdit l’existence d’un état métallique : le désordre induit une Transition Supraconducteur-Isolant (TSI). Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport à très basse température de films minces amorphes de NbxSi1-x. Nous avons effectué des mesures de résistance à basse fréquence à travers la TSI et initié des mesures d’impédance complexe à hautes fréquences (quelques GHz), afin de sonder la dynamique du système à travers la TSI. L’étude du transport statique s’est focalisée sur l’évolution du NbxSi1-x avec le recuit. Ce paramètre induit une variation progressive du désordre microscopique de notre système, ce qui nous a permis d’étudier finement la TSI. Nous avons ainsi mis en évidence deux états dissipatifs, séparant les états supraconducteurs et isolants, et non-prédits par les théories actuelles. Par ailleurs, nous avons mis au point un dispositif de mesure de réflectométrie micro-onde large bande. Nous avons en particulier développé une méthode de calibration, utilisant non pas la mesure de références externes comme il est usuel, mais un ensemble d’hypothèses sur la réponse électrodynamique des échantillons. Cette méthode permet de s’affranchir de l’environnement micro-onde de ceux-ci. Les résultats obtenus permettent une première validation de cette démarche et constituent donc un premier pas vers la détermination de la réponse dynamique absolue du système à travers la TSI. / Superconductivity is established by the collective organization of electrons, then described within the BCS theory through a single macroscopic wave function. In the presence of strong disorder, the situation becomes more complex: disorder enhances Coulomb interactions and induces the localization of electrons. These two phenomena act against superconductivity. For a critical disorder, the superconducting state is destroyed and the system becomes either metallic or insulating. In 2D, in the absence of strong Coulomb interactions, the theory of Anderson localization prevents the existence of a metallic state. Disorder thus induces a Superconductor-Insulator Transition (SIT). We have studied the transport properties of amorphous NbxSi1-x thin films at very low temperature. We have performed resistance measurements at low frequencies through the SIT and initiated measurements of the complex impedance at higher frequencies (a few GHz) in order to probe the dynamics of the system through this quantum phase transition. The study of the static properties of NbxSi1-x films have focused on the effect of annealing. This parameter induces a gradual variation of the microscopic disorder of this system, which allowed us a very fine tuning of the SIT. We have thus evidenced two dissipative states, non-predicted by the current theories of the SIT, which separate the superconducting and insulating ground states. In parallel, we have set up a broadband microwave reflectometry experiment. In particular, we have developed a calibration procedure based on hypotheses on the electrodynamic response of the samples and not on the measure of external references as it is usual. This method allows us to measure the sample’s response independently from the experimental setup. The results we have obtained provide a first validation of this approach and therefore constitute a first step towards the determination of the absolute dynamical response of the system through the SIT.

Afin de permettre la mesure de champs magnétiques extrêmement faibles, comme ceux produits par l'activité neuronale lors des taches cognitives, nous avons proposé et réalisé un capteur femtotesla (10-15T) associant l'électronique de spin et la supraconductivité offrant une alternative en technologie couches minces et à 77K aux capteurs les plus sensibles actuellement que sont les SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Devices) à basse température critique (4K). Le principe de base de ces capteurs, appelés capteurs mixtes, repose sur l'association d'un transformateur flux-champ très performant, obtenu grâce à une large boucle supraconductrice comprenant une constriction, et d'un capteur magnétique de type GMR ou TMR métallique de grande sensibilité. Des niveaux de détectivité de quelques fT/√Hz dans le bruit thermique ont pu ainsi être atteints à l'azote liquide, ce qui est comparable aux performances des SQUIDs à l'hélium liquide. Il existe cependant un bruit en 1/f à basse fréquence, dû au faible volume de l'élément magnétorésistif, qui limite les performances du capteur en dessous de 1kHz. Des techniques de suppression de ce bruit basse fréquence par bascule sur des points de référence du capteur sont étudiées et permettent déjà de réduire ce bruit de plus d'un ordre de grandeur, ce qui permet d'atteindre 0.1pT/√Hz à 1Hz. Grâce à ces capteurs, il a été possible de réaliser des premières mesures de la composante magnétique du signal cardiaque (signal de quelques pT/√Hz). Le très faible niveau de bruit thermique a permis également de réaliser des mesures de résonance quadrupolaire nucléaire sur des composés azotés qui est une technique de détection sélective d'explosifs. Nous avons aussi montré la possibilité de mesurer la résonance magnétique nucléaire du proton à très faible champ. Cela nous a conduit à développer un dispositif d'imagerie par résonance magnétique pour réaliser des images 3D à très bas champ (<20mT), ce qui présente un très grand intérêt pour la réalisation de systèmes d'IRM portables, faible coût, qu'il serait aussi possible d'intégrer dans un système de magnétoencéphalographie.

MISE EN EVIDENCE, EN REGIME DE FORTE EXCITATION, DU DEGRE DE FRAGILITE DU SYSTEME QUASI-PARTICULES<->CONDENSAT DE PAIRES. LES MATERIAUX DE GRANDE DIFFUSIVITE ELECTRONIQUE ONT CANTONNE L'ETUDE A DES SITUATIONS DE QUASI-HOMOGENEITE. EN CE QUI CONCERNE LES PHONONS BALISTIQUES, DES RESULTATS PRECIS ONT ETE OBTENUS: L'ETAT SUPRACONDUCTEUR A T=0 AGIT COMME UN FILTRE PARFAIT DES FREQUENCES JUSQU'A LA CASSURE DES PAIRES DONT LE SEUIL ET L'ANISOTROPIE SONT AINSI MESURABLES; EN FRANCHANT THERMIQUEMENT L'INTERACTION AVEC LES QUASI-PARTICULES, LES DUREES DE VIES LIMITEES PAR LES ELECTRONS ONT ETE OBTENUES MODE PAR MODE. DES MESURES SUR LE NIOBIUM ONT PERMIS DE DONNER UNE VALEUR MOYENNE DU POTENTIEL DE DEFORMATION. APPROCHE SYNTHETIQUE DES MODES POSSIBLES DE LA CONDUCTIVITE ELECTRONIQUE PAR UNE METHODE D'EQUATIONS DE TRANSPORT COUPLEES. CONCLUSION

Dans le cadre de la libéralisation du marché de l'énergie électrique, les réseaux DC offrent de nombreux avantages par rapport aux réseaux alternatifs, mais leurs protections nécessitent l'utilisation de nouveaux appareils. Les limiteurs supraconducteurs de courant permettent, par le dépassement d'un courant critique, de limiter le courant de défaut à une valeur prédéfinie, inférieure à la valeur théorique du court-circuit. Les conducteurs déposés offrent d'excellentes perspectives pour ces applications. Nous avons ainsi travaillé sur la mise en oeuvre de ces matériaux et réalisé un banc de mesures. Des essais en limitation de courant ont été réalisés afin d'étudier l'homogénéité des transitions pour différents paramètres de court-circuit. Un point important est la mesure de température par des sondes déposées directement sur le ruban, donnant des résultats conformes aux modèles théoriques. Nos essais ont confirmé l'amélioration des transitions pour les fonctionnements proches de la température critique. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de la limitation de courant par des conducteurs déposés.

Ce travail de thèse est consacré à la construction et l'optimisation d'un dispositif de mesure de corrélations en courant à très basse température.

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés physiques du composé ferromagnétique supraconducteur URhGe. Il s'agit de la première étude menée sur des échantillons se présentant sous forme monocristalline et dans des conditions expérimentales extrêmes: très basse température, très haute pression hydrostatique et fort champ magnétique. Dans un premier temps, nous décrivons la cristallogénèse ainsi que les traitements thermiques nécessaires à l'obtention de cristaux présentant des transitions supraconductrices résistives complètes et étroites. Dans un second temps nous présentons le diagramme de phase (P,T) obtenu par des mesures d'aimantation, transport et calorimétrie. Contrairement à son homologue UGe2, la température de Curie (TCurie) croît quasi linéairement jusqu'à 130 kbar alors que la température critique supraconductrice (Tc) diminue de façon monotone. Nous reportons également l'influence des défauts cristallins sur l'état supraconducteur ainsi que la première tentative de mesure du courant critique. Ces résultats démontrent que l'état fondamental de ce composé est non conventionnel. Finalement nous présentons les premières mesures du second champ critique (Hc2) réalisées sur des échantillons de qualité différente. La présence des domaines magnétiques au sein du condensât supraconducteur s'illustre par un saut de Hc2 au voisinage de Tc. La valeur de Hc2 au zéro absolu ainsi que la forte anisotropie observée mettent en évidence que la symétrie du paramètre d'ordre est très certainement triplet polaire.

Les accélérateurs linéaires (linacs) de protons de forte intensité sont, depuis quelques années, au coeur de nombreux projets internationaux (transmutation des déchets nucléaires, production de faisceaux radioactifs, sources de neutrons de spallation, usines à neutrinos...). Les cavités accélératrices supraconductrices, qui constituent une des pierres angulaires de ces accélérateurs, ont connu un essor très important grâce, en particulier, aux excellentes performances atteintes par les cavités dites « elliptiques ». Alors que le choix technologique concernant la partie haute énergie des linacs (énergie du proton supérieure à 100 MeV) semble maintenant clairement établi avec l'utilisation de ces cavités elliptiques, le débat reste encore ouvert au sujet de la partie intermédiaire (typiquement entre 5 et 100 MeV), pour laquelle différents types de cavités « faible bêta » sont actuellement à l'étude. Le thème central de cette thèse porte donc sur l'étude d'une nouvelle structure accélératrice faible bêta, appelée cavité « spoke », qui pourrait répondre aux différents critères fixés, dans le cadre des projets européens EURISOL (production de faisceaux radioactifs) et XADS (transmutation des déchets nucléaires), pour assurer un bon fonctionnement de l'accélérateur, mais aussi, contribuer à réduire le coût global de telles installations. L'étude complète d'une cavité spoke, bêta 0.35, a donc été réalisée : de sa conception, au moyen de logiciels de simulation électromagnétique et mécanique afin d'optimiser sa géométrie, jusqu'aux mesures expérimentales à chaud et à froid (T=4.2 K) où un excellent résultat a été obtenu, à savoir un champ accélérateur de 12.2 MV/m (une des meilleures performances atteintes avec une cavité spoke dans le monde). L'étude d'optimisation a notamment montré qu'un rapport 1/3 entre la barre centrale et la longueur de la cavité permettait de minimiser les champs électriques et magnétiques de surface pour un champ accélérateur donné. Elle a également établi que les cavités spoke pouvaient parfaitement être utilisées, dans la partie intermédiaire de l'accélérateur jusqu'à un bêta de 0.15, du fait de leur très grande rigidité. Les tests expérimentaux à chaud réalisés sur la cavité (fabriquée par l'entreprise CERCA) ont confirmé les prédictions théoriques attendues (fréquence, profil de champ et caractéristiques mécaniques). Une autre étude, portant sur le contrôle dimensionnel en 3D de cavités monocellules elliptiques, a permis d'expliquer les écarts observés entre les fréquences mesurées et celles visées, issues des codes électromagnétiques.