Cette thèse décrit la fabrication de systèmes hybrides basés sur le semi-conducteur InAs et leur étude par spectroscopie STM et la mesure de jonctions Josephson. Dans une première expérience, je montre que des nanocristaux (NC) de plomb (Pb) supraconducteurs de haute qualité peuvent être réalisés sur la surface (110) d'InAs. Lorsque la taille latérale des NC est inférieure à la longueur d'onde de Fermi du gaz d'électrons bidimensionnel accumulé à la surface de InAs, les NC ne sont que faiblement couplés à ce gaz électronique et se retrouvent donc dans le régime de blocage de Coulomb. Ce phénomène a permis la première étude de l'effet de parité supraconducteur par spectroscopie STM, que nous avons utilisée pour vérifier la validité de la limite d'Anderson. Dans une seconde expérience, je montre que des NC de Bismuth (Bi) de haute qualité peuvent également être réalisés sur la surface (110) d'InAs. Contrairement aux NC de Pb, une couche de mouillage de Bi sépare les NC de la surface InAs, conduisant à un fort couplage entre les NC de Bi et le substrat. A partir de la spectroscopie STM, nous avons identifié des états de bord sur le plan (111) des NC avec une symétrie C3. En supposant que le bismuth est un isolant topologique de second ordre comme suggéré théoriquement, les états de bords observés peuvent être interprétés naturellement comme les états de charnière prédits dans cette dernière théorie de bande topologique. / This thesis describes the fabrication of hybrid systems based on the narrow-gap semiconductor InAs and their study through STM spectroscopy and measure of the Josephson characteristics. In the first experiment, I show that high quality superconducting Lead (Pb) nanocrystals can be grown on the (110) surface of InAs. When the lateral size of the Pb nanocrystals is smaller than the Fermi wavelength of the two-dimensional electron gas accumulated at the surface of InAs, the nanocrystals are only weakly coupled to this electron gas and, consequently, are found in the regime of Coulomb blockade. This phenomenon enabled the first study of the superconducting parity effect through STM spectroscopy, which we employed to check the validity of the Anderson limit. In the second experiment, I show that high quality Bismuth (Bi) nanocrystals can also be grown on the (110) surface of InAs. In contrast to Pb nanocrystals, a wetting layer of Bi separates the nanocrystals from the InAs surface, leading to a strong coupling between the Bi nanocrystals and the substrate. From STM spectroscopy, we have identified edge-states on the (111) plane of the nanocrystals with C3 symmetry. Assuming that Bismuth is a 2nd order topological insulator as suggested theoretically, the observed edge-states can be interpreted naturally as the hinge-states predicted in this last topological band-theory. Finally, I will present the methods that I developed for the fabrication of hybrid Josephson junctions on bulk InAs and InAs/GaSb heterostructures, together with preliminary measurements of Josephson characteristics.

Le refroidissement électronique de jonctions tunnel Supraconducteur - Isolant - métal Normal (S-I-N) a lieu grâce la bande d'énergie interdite du supraconducteur, qui agit tel un filtre laissant passer les électrons les plus énergétiques par effet tunnel. Cependant, l'efficacité de tels refrigérateurs électroniques est habituellement plus faible que les prédictions théoriques. Après l'introduction des équations basiques décrivant le refroidissement électronique dans une jonction tunnel, nous présentons les différentes limitations fondamentales, parmi elles les couplages thermiques entre bains thermiques d'électrons ou de phonons et la relaxation des quasi-particules. Afin d'avoir une meilleure compréhension des différents couplages thermiques en jeu, nous avons mis au point une expérience permettant de mesurer indépendamment la température des électrons et des phonons. Un réfrigérateur hors équilibre est ainsi étudié dans les régimes de refroidissement et de chauffage. Les résultats sont interprétés en utilisant un modèle thermique qui tient compte des transferts de chaleur entre électrons, phonons et photons. En particuliers, le canal photonique de chaleur lié au bruit thermique dans les résistances du circuit apporte une contribution de chaleur supplémentaire dépendant de la transmission du circuit de couplage. Enfin nous nous sommes intéressées à l'amélioration du refroidissement électronique sous champ magnétique, facilitant la relaxation des quasi-particules dans le supraconducteur. Enfin nous avons développer un procédé de fabrication permettant d'obtenir de large jonctions S-I-N-I-S avec un ilôt métallique suspendu totalement découplé du substrat. / Electronic cooling in Superconductor - Insulator - Normal metal (S-I-N) junction is based on the energy selectivity of electron tunneling induced by the superconductor energy gap. Nevertheless, the efficiency of coolers based on such junctions is usually significantly less than theoretically expected. After introducing the principle of superconducting micro-coolers, we present the fundamental limitations to electronic cooling. We focus on the different thermal couplings between electron and phonon thermal baths and the relaxation of hot quasi-particles deposited in the superconductor. We have designed an experiment to monitor independently electron and phonon temperatures. An electronic cooler was studied under out-of-equilibrium conditions, in both the cooling and the heating regimes. The results are interpreted using a thermal model, which takes into account the heat transfers between the electron, phonon and photon baths. In particular, the photonic heat flow related to the thermal noise arising in the circuit resistors can bring an additional heat contribution, depending on the transmission of the biasing circuit. Moreover, we investigate the enhancement of quasi-particles relaxation under magnetic field, leading to an enhanced quasi-particle relaxation. Finally we develop a process enabling to fabricate a S-I-N-I-S cooler with large junctions and a suspended Normal metal island decoupled from the substrate.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates. / In this thesis, the spin dynamics of CeCoIn5 has been studied by inelastic neutron scattering. CeCoIn5 presents the highest critical temperature ( Tc = 2.3 K) among heavy fermion Ce-based compounds and shows an unconventionnal supraconductivity with a $d_{x^2-y^2}$-wave gap. The magnetic excitation spectra is radically changed in the supraconducting state with the apparition of an intense excitation named "Spin resonance". This kind of excitation has already been discovered in high-Tc superconductors and even in the new Iron-based superconductors. In this thesis, we focused on the evolution of the spin resonance with the application of a magnetic field and the introduction of magnetic and non-magnetic impurities. From our study, the main effect of impurities is to decrease the superconducting gap which leads to a proportionnal decrease of the resonance energy. The case of magnetic field is more difficult and our researchs suggest a Zeeman splitting of the spin resonance in agreements with the models developped for the cuprates.

L’actualité des travaux de recherche dans le domaine des moteurs électriques repose en partie sur des machines utilisant des matériaux supraconducteurs. En effet, ces matériaux des caractéristiques intéressantes pour des applications à champ magnétique et courant élevés, en étant refroidis à très basse température, en général de 4 à 77K. Ce qui est un paramètre important pour développer des machines de fortes puissances avec un encombrement minimal. Nous proposons d’utiliser les caractéristiques de fort courant et fort champ magnétique des fils supraconducteurs ainsi que les capacités de blindage magnétique des supraconducteurs massifs pour le développement de moteurs supraconducteurs. Nous avons développé et réalisé les essais d’une machine synchrone supraconductrice de 250kW, à inducteur supraconducteur tournant. Nous continuons les travaux sur les machines supraconductrices à topologies originales, avec la modélisation 3D d’un nouvel inducteur, à pans coupés. Mais également par de nouveaux essais et développements de la machine à concentration de flux magnétique réalisée dans des travaux précédents / An important part of electrical machines research activities focus on superconducting motors. In fact, an important magnetic field and high current are possible with these materials, used at low temperature, generally 4 to 77K. These two parameters allow an interesting motor development, with higher electrical power and a minimal overcrowding. In front of high magnetic flux and high current superconducting caracteristics and bulk screening effect, we suggest several superconducting motors development. We developed and realized a 250kW synchronous superconducting motor, with a rotating superconducting inductor. Then, using 3D finite element software, we introduce an original superconducting inductor topology, nammed "pan coupé". Besides, we show new test and development of the magnetic flux concentration motor constructed 4 years ago

Dans cette thèse nous présentons des progrès algorithmiques ainsi que plusieurs applications des méthodes de Monte Carlo quantique (QMC) pour simulations à partir des premiers principes. Les améliorations que nous proposons permettent d'étudier par QMC des systèmes de plus grosse taille voire périodiques, avec l'ambition de faire du QMC une alternative valable à la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Tous les résultats ont été obtenus par le logiciel TurboRVB. D'abord, nous présentons une implémentation du QMC basée sur la fonction d'onde Jastrow-Geminale qui combine une grande flexibilité avec un traitement précis des corrélations électroniques. On a appliqué une technique originale de plongement pour réduire la taille de la base atomique à la molécule d'eau ainsi qu'à un modèle simplifié du transfert de protons (TP) dans l'eau. Nos résultats ouvrent la voie à l'étude des phénomènes microscopiques tels que le TP directement par QMC. Ensuite, on a amélioré notre méthode afin de simuler les solides cristallins. Grâce à une nouvelle procédure pour choisir de manière appropriée les conditions aux limites, nous avons pu réduire les erreurs de taille finie qui affectent les simulations QMC des solides. Sur la base des techniques développées, nous étudions enfin le supraconducteur FeSe. Le QMC fournit le meilleur résultat concernant sa structure cristalline; via une étude systématique du paysage énergétique à différentes configurations magnétiques, nous montrons un lien fort entre la structure, le magnétisme et les mouvements de charge dans ce matériau, prélude à une compréhension quantitative de la supraconductivité à haute température des premiers principes. / In this thesis we present algorithmic progresses as well as applications of continuum quantum Monte Carlo (QMC) methods for electronic structure calculations by first principles. The improvements we propose allow to tackle much larger molecular as well as extended systems by QMC, with the ultimate goal of making QMC a valid alternative to density functional theory (DFT). All results have been obtained with the TurboRVB software, which we contributed to develop. At first, we present a QMC framework based on the Jastrow-Geminal wavefunction which combines great flexibility with a compact analytical form, while providing at the same time an accurate treatment of electron correlations. We apply an original atomic embedding scheme for reducing the basis set size to the water molecule and to a simple model of proton transfer (PT) in aqueous systems. Our results pave the way to the study of microscopic phenomena such as PT directly by QMC. Afterwards, we extend our QMC framework in order to simulate crystalline solids. We propose a novel procedure to find special values of the boundary conditions which allow to greatly reduce the finite-size errors affecting solid state QMC simulations. Using the techniques previously developed, we study the iron-based superconductor FeSe. We show that QMC provides the best crystal structure predictions on this compound; by means of a systematic study of the energy landscape at different magnetic orderings, we show a strong link between structural, magnetic and charge degrees of freedom in FeSe. Our results represent an important step towards a quantitative understanding of high-temperature superconductivity by first-principles.

L'instabilité du spectre des opérateurs non-autoadjoints constitue la thématique centrale de cette thèse. Notre premier objectif est de mettre en évidence ce phénomène dans le cas de certains modèles naturels tels que l'opérateur d'Airy, l'oscillateur harmonique ou l'oscillateur cubique complexes. Dans ce but, nous nous intéressons au comportement des projecteurs spectraux associés aux valeurs propres de ces opérateurs, poursuivant une démarche initiée par E. B. Davies. Le second objectif de notre travail consiste à montrer de quelle manière ces modèles peuvent contribuer à la compréhension de certains problèmes issus de domaines mathématiques et physiques aussi variés que la mécanique quantique, la supraconductivité ou la théorie du contrôle. Nos résultats sur l'instabilité spectrale de l'oscillateur cubique complexe viennent ainsi corroborer un travail de B. Krejcirik et P. Siegl, soulignant l'impossibilité de fournir une justification rigoureuse aux théories actuelles de la mécanique quantique non-hermitienne. Par ailleurs, nous nous appuyons sur les propriétés des modèles mentionnés ci-dessus pour obtenir des résultats sur le spectre et la résolvante d'opérateurs de Schrödinger à potentiels imaginaires purs dans des ouverts bornés. Ces résultats peuvent en particulier être appliqués à l'étude du système de Ginzburg-Landau dépendant du temps en supraconductivité. Enfin, nous présentons des résultats sur la contrôlabilité d'équations paraboliques dégénérées qui reposent sur une étude spectrale et pseudospectrale de l'opérateur d'Airy et de l'oscillateur harmonique complexes. Ce dernier travail est le fruit d'une collaboration avec K. Beauchard, B. Helffer et L. Robbiano. / Spectral instability of non-selfadjoint operators is the main subject of this thesis. Our first goal is to understand the pseudospectral behavior of natural models such as the complex Airy operator, harmonic oscillator and cubic oscillator. To this purpose, we analyze the asymptotic behavior of the spectral projections associated with the eigenvalues of these operators, following a work initiated by E.B. Davies. Our second goal is to illustrate how such models can be used in several problems arising in quantum mechanics, superconductivity or control theory. For instance, our results on the spectral instability of the complex cubic oscillator enable us to confirm that the current theory of non-hermitian quantum mechanics can not be rigorously justified, as recently pointed out by B. Krejcirik and P. Siegl. On the other hand, we obtain spectral information and resolvent estimates for semi-classical Schrödinger operators with purely imaginary potentials in a bounded domain, by using the properties of the models mentioned above. In particuler, these results entail some information on the time-dependent Ginzburg-Landau system in superconductivity. Finally, we reproduce a joint work with K. Beauchard, B. Helffer et L. Robbiano in which the controllability of some degenerate parabolic operators is investigated. An analysis of the spectrum and resolvent of the complex Airy operator and harmonic oscillator yields some controllability and non-controllability results for the equation under consideration.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der spezifischen Wärme von Holmium und YNi2B2C in den Temperaturbereichen von 50 bis 200 K bzw. von 380 mK bis 20 K in Magnetfeldern bis 9 T. In der vorliegenden Arbeit werden das kritische Verhalten von YNi2B2C und Eigenschaften des supraleitenden Zustands des nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbids YNi2B2C mit Hilfe eines selbstentwickelten Messaufbaus der spezifischen Wärme nach der quasiadiabatischen Heizpulsmethode sowie von Holmium mit Hilfe der Relaxationsmethode untersucht. In dieser Arbeit konnten zuverlässige Aussagen über die kritischen Exponenten an einkristallinem Holmium gemacht werden. Die Untersuchung an Holmium beweist, dass das kritischen Verhalten der spezifischen Wärme nicht im Rahmen der Vorhersagen der chiralen Universalitätsklassen beschrieben werden kann. Anhand von Messungen der spezifischen Wärme konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, dass YNi2B2C ein Multibandsupraleiter ist. Die positive Krümmung der Grenzlinie unterhalb Tc im Phasendiagramm liefert einen ersten Hinweis auf den Mehrband-Charakter von YNi2B2C. Im Nullfeld kann die elektronische spezifische Wärme im supraleitenden Zustand, ces(T), nicht im Rahmen der reinen BCS-Theorie erklärt werden. Bei tiefen Temperaturen konnte ein Restbeitrag durch normalleitende Elektronen nachgewiesen werden, der auf eine nicht vollständig geöffnete Energielücke hinweist. Eine mögliche Erklärung wäre, dass ein Band (oder mehrere Bänder) mit geringer Ladungsträgerkonzentration nicht zur Supraleitung beitragen. Dieses Ergebnis deckt sich mit de Haas-van Alphen-Messungen an isostrukturellen supraleitenden LuNi2B2C-Einkristallen, welche den Mehrband-Charakter der Supraleitung sowie eine verschwindende Energielücke in einem Band nahe legen. Das Fluktuationsverhalten der spezifischen Wärme von YNi2B2C in der Nähe des supraleitend-normalleitenden Übergangs stimmt gut mit demjenigen des 3D-XY-Modells überein.

Gegenstand der Arbeit ist die Untersuchung der spezifischen Wärme von Holmium und YNi2B2C in den Temperaturbereichen von 50 bis 200 K bzw. von 380 mK bis 20 K in Magnetfeldern bis 9 T. In der vorliegenden Arbeit werden das kritische Verhalten von YNi2B2C und Eigenschaften des supraleitenden Zustands des nichtmagnetischen Seltenerd-Nickel-Borkarbids YNi2B2C mit Hilfe eines selbstentwickelten Messaufbaus der spezifischen Wärme nach der quasiadiabatischen Heizpulsmethode sowie von Holmium mit Hilfe der Relaxationsmethode untersucht. In dieser Arbeit konnten zuverlässige Aussagen über die kritischen Exponenten an einkristallinem Holmium gemacht werden. Die Untersuchung an Holmium beweist, dass das kritischen Verhalten der spezifischen Wärme nicht im Rahmen der Vorhersagen der chiralen Universalitätsklassen beschrieben werden kann. Anhand von Messungen der spezifischen Wärme konnte in dieser Arbeit bestätigt werden, dass YNi2B2C ein Multibandsupraleiter ist. Die positive Krümmung der Grenzlinie unterhalb Tc im Phasendiagramm liefert einen ersten Hinweis auf den Mehrband-Charakter von YNi2B2C. Im Nullfeld kann die elektronische spezifische Wärme im supraleitenden Zustand, ces(T), nicht im Rahmen der reinen BCS-Theorie erklärt werden. Bei tiefen Temperaturen konnte ein Restbeitrag durch normalleitende Elektronen nachgewiesen werden, der auf eine nicht vollständig geöffnete Energielücke hinweist. Eine mögliche Erklärung wäre, dass ein Band (oder mehrere Bänder) mit geringer Ladungsträgerkonzentration nicht zur Supraleitung beitragen. Dieses Ergebnis deckt sich mit de Haas-van Alphen-Messungen an isostrukturellen supraleitenden LuNi2B2C-Einkristallen, welche den Mehrband-Charakter der Supraleitung sowie eine verschwindende Energielücke in einem Band nahe legen. Das Fluktuationsverhalten der spezifischen Wärme von YNi2B2C in der Nähe des supraleitend-normalleitenden Übergangs stimmt gut mit demjenigen des 3D-XY-Modells überein.