Les hétérostructures de taille nanométrique comprenant des matériaux supraconducteurs (S) en contact avec des matériaux métalliques (N) ou ferromagnétiques (F) présentent des propriétés surprenantes. L'effet de proximité dans les structures F/S/F se manifeste par l'effet vanne de spin. Dans les jonctions S/F/S, on voit l'apparition d'une transition de phase 0-p. Ces propriétés dépendent des paramètres internes du ferromagnétiques. Dans la première partie, nous étudions l'influence d'un décalage énergétique et d'une différence de masse effective pour expliquer l'effet de vanne de spin inverse qui se manifeste dans certaines hétérostructures F/S/F. On étudie la transition de phase 0-p dans le cas de décalage énergétique et d'anisotropie des surfaces de Fermi. La seconde partie est consacrée à l'étude de l'effet paramagnétique sur le diagramme (H,T) des bicouches S/N et S/S. On demontre qu'il se forme une phase de supraconductivité induite par champ magnétique à fort champ magnétique et faibles températures. Calculée en présence d'un phase supraconductrice inhomogène de type Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov (FFLO), on s'interesse également à l'influence des impuretés sur cette nouvelle phase supraconductrice à fort champ magnétique. La troisième partie est dévolue à l'étude des multicouches supraconducteur/métal normal(N). Le but de cette partie est d'étudier l'influence du nombre de couche et de décalage d'énergie sur la température critique, la densité d'état des multicouches S/N/.../N épaisses et de l'effet Josephson dans les multicouches S/N/.../N/S.

Cette thèse est constituée de deux parties indépendantes. La première partie traite du transport dans des gaz d'électrons bidimensionnels dans le régime de l'effet Hall quantique. Dans la deuxième partie, le courant et les corrélations croisées en courant sont étudiées pour des structures hybrides conducteur normal- supraconducteur- conducteur normal (NSN). Dans le régime de haute température de l'effet Hall quantique, la conductance longitudinale est calculée par un formalisme diagrammatique basé sur une approche de conductivité locale. Ce calcul prend en compte l'effet de dérive des électrons sur les lignes équipotentielles du potentiel de désordre et permet la dérivation microscopique de l'exposant critique de transport qui était auparavant seulement conjecturé à partir d'arguments géométriques qualitatifs. Des expressions microscopiques pour la dépendance en température et en champ magnétique de la conductance longitudinale sont dérivées et comparées avec des expériences récentes. Dans le régime de basse température de l'effet Hall quantique, le passage du courant par effet tunnel sur des points selles est étudié à partir de la diffusion de paquets d'onde d'états semi-cohérents. Nous dérivons analytiquement le coefficient de transmission d'un point selle pour le potentiel scalaire dans le graphène et trouvons que les points selles asymétriques brisent la symétrie particule-trou de la conductance. Dans des structures hybrides NSN, nous étudions l'influence de barrières additionnelles sur la conductance (non-locale) et sur les corrélations croisées en courant avec la théorie de diffusion. Dans les systèmes métalliques, où la phase est moyennée, des barrières additionnelles augmentent les processus locaux par réflexion Andreev résonante (reflectionless tunneling), mais ont peu d'influence sur les processus non-locaux et sur les corrélations croisées en courant. Dans les systèmes balistiques, des barrières additionnelles causent des oscillations Fabry-Pérot et permettent de distinguer les différents processus contribuant à la conductance et aux corrélations croisées en courant.

Cette thèse est constituée de deux parties indépendantes. La première partie traite du transport dans des gaz d'électrons bidimensionnels dans le régime de l'effet Hall quantique. Dans la deuxième partie, le courant et les corrélations croisées en courant sont étudiées pour des structures hybrides conducteur normal- supraconducteur- conducteur normal (NSN). Dans le régime de haute température de l'effet Hall quantique, la conductance longitudinale est calculée par un formalisme diagrammatique basé sur une approche de conductivité locale. Ce calcul prend en compte l'effet de dérive des électrons sur les lignes équipotentielles du potentiel de désordre et permet la dérivation microscopique de l'exposant critique de transport qui était auparavant seulement conjecturé à partir d'arguments géométriques qualitatifs. Des expressions microscopiques pour la dépendance en température et en champ magnétique de la conductance longitudinale sont dérivées et comparées avec des expériences récentes. Dans le régime de basse température de l'effet Hall quantique, le passage du courant par effet tunnel sur des points selles est étudié à partir de la diffusion de paquets d'onde d'états semi-cohérents. Nous dérivons analytiquement le coefficient de transmission d'un point selle pour le potentiel scalaire dans le graphène et trouvons que les points selles asymétriques brisent la symétrie particule-trou de la conductance. Dans des structures hybrides NSN, nous étudions l'influence de barrières additionnelles sur la conductance (non-locale) et sur les corrélations croisées en courant avec la théorie de diffusion. Dans les systèmes métalliques, où la phase est moyennée, des barrières additionnelles augmentent les processus locaux par réflexion Andreev résonante (reflectionless tunneling), mais ont peu d'influence sur les processus non-locaux et sur les corrélations croisées en courant. Dans les systèmes balistiques, des barrières additionnelles causent des oscillations Fabry-Pérot et permettent de distinguer les différents processus contribuant à la conductance et aux corrélations croisées en courant. / This thesis consists of two independent parts. The first one deals with transport in two dimensional electron gases in the regime of the quantum Hall effect. In the second part, current and current cross-correlations are studied in normal conductor-superconductor-normal conductor (NSN) hybrid structures. In the high temperature regime of the quantum Hall effect, the longitudinal conductance is calculated in a diagrammatic formalism based on a local conductivity approach. It takes the interplay between electron-phonon scattering and the drift motion along equipotential lines of the disorder potential into account and provides a microscopic derivation of the universal transport critical exponent that was up to now only conjectured from qualitative geometrical arguments. Microscopic expressions for the dependence in temperature and magnetic field of the longitudinal conductance are derived and compared to recent experiments. In the low temperature regime of the quantum Hall effect, tunneling over saddle points is studied from the scattering of semi-coherent state wave packets. We derive analytically the transmission coefficient of saddle-points in the scalar potential in graphene and find that asymmetric saddle-points break particle-hole symmetry in the conductance. In three-terminal NSN hybrid structures the influence of additional barriers on the (non-local) conductance and on current cross-correlations is studied with scattering theory. In metallic, phase averaged systems additional barriers lead to an enhancement of local processes by reflectionless tunneling but have little influence on non-local processes and on current cross-correlations. In ballistic systems, additional barriers lead to Fabry-Perot oscillations and allow to distinguish the different contributions to the conductance and to the current cross-correlations.

Le contrôle du nombre et de l'état quantique d'électrons individuels est un élément clé pour la construction d'applications innovantes comme les sources à un électron ou les standards métrologiques de courant. La difficulté d'atteindre la précision métrologique pour une source de courant alimente la recherche fondamentale sur le transport individuel d'électrons dans les structures mésoscopiques. Un candidat prometteur combine le concept de quantification de la charge dans un transistor à un électron et la bande interdite de la densité d'états d'électrodes supraconductrices. Le transport corrélé en temps d'électrons entre les électrodes supraconductrices est alors assuré par la densité d'états continue de l'ilot métallique central. Le grand nombre d'états électroniques disponibles dans l'ilot, bien que favorable en termes de couplage tunnel, a néanmoins deux conséquences importantes que sont les fluctuations thermiques et des processus parasites d'ordre supérieur, ce qui limite la performance de ces dispositifs. Dans ce contexte, nous explorons le transport de charges dans un tourniquet à électrons hybride basé sur une boîte quantique en lieu et place de l'ilot métallique. Les dispositifs sont réalisés par l'électromigration contrôlée de constrictions d'Aluminium précédée par le dépôt aléatoire de nano-particules d'or. Ce procédé in-situ (réalisé à 4 K) permet l'obtention de jonctions tunnel entre des électrodes supraconductrices d'aluminium et nano-particules d'or avec un taux de succès de l'ordre de 4%. Nous caractérisons le transport statique et en fréquence dans ces nanostructures par la mesure statique du courant à une température de 100 mK dans un environnement fortement filtré, mais néanmoins compatible avec l'électro-migration, d'un réfrigérateur à dilution. L'analyse des cartes de conductance en fonction des tensions drain-source et de grille révèle une énergie de charge très élevée de l'ordre de 10 meV et un écart entre niveaux discrets d'énergie de l'ordre de 1 meV. Par une étude détaillée de l'élargissement des pics de cohérence au seuil du blocage de Coulomb, nous montrons que le transport électronique est assuré par un niveau unique dans la boîte quantique. Bien que le couplage tunnel soit faible, le temps de vie d'un électron dans un niveau donné est dominé par l'hybridation des états électroniques entre les électrodes et la boîte quantique. En effet, les fluctuations thermiques et les processus inélastiques sont inopérants du fait du grand écart d'énergie entre niveaux et de la bande interdite supraconductrice dans les électrodes. L'observation de résonances sous le seuil imposé par le blocage de Coulomb est décrite par des processus de cotunneling de type paire de Cooper-électron. Lorsqu'un signal radio-fréquence de forme sinusoïdale ou carrée est ajouté à la tension de grille, un fonctionnement de tourniquet à électron est montré. Nous obtenons un courant quantifié jusqu'à une fréquence de 200 MHz, au delà de laquelle la précision se dégrade à cause d'évènements tunnel manqués. Le couplage à un niveau unique dans la boîte quantique est clairement démontré par l'apparition d'effets de transport tunnel inversé à grande tension drain-source ainsi que l'insensibilité à la température jusqu'à environ 300 mK. Enfin, nous observons une suppression systématique du courant uniquement à basse fréquence et avec un signal r.f. sinusoïdal. En accord avec une prédiction théorique, nous montrons que les effets tunnel manqués sont causés par un processus adiabatique au travers l'anti-croisement d'un niveau quantique sur la boîte quantique avec la densité d'états des électrodes supraconductrices. Nos expériences fournissent la première démonstration expérimentale de la répulsion de niveaux entre un niveau discret et un semi-continuum, illustrant ainsi l'évolution cohérente de nos tourniquets hybrides à électron dans un régime adiabatique. / Accurate control over the state and motion of single individual electrons would enable a variety of appealing applications reaching from quantized to quantum coherent electron sources. Realizing the accuracy of quantized current sources required for a metrological standard is however extremely challenging and has naturally fuelled fundamental research into single electron transport through mesoscopic structures. A promising candidate, foreseen to meet the demand, combines the concept of quantized charge in single electron transistors (SETs) and the gapped density of states in superconducting metals (hence called hybrid electron turnstile), to produce a quantized current. The time-correlated electron transport (sub-poissonian) between the superconducting leads is conveyed by the continuous density of states of the central normal island. The large amount of available states at the normal island, although favorable in terms of tunnel coupling, has nevertheless two important ramifications i.e. 1) thermal fluctuations and 2) adverse higher-order processes, which limit the performance of hybrid electron turnstiles. Inspired by this ingenious application and the advances in quantum dot trans- port, we explore the operation of a hybrid electron turnstile embodying a bottom-up quantum dot instead of the usual metallic island. The desired devices are obtained by controlled electromigration of aluminium nano-wires preceded by the deposition of gold nano-particles. This in-situ process (conducted at 4 K) produces pristine tunnel junctions between aluminium leads and gold nano-particles with a yield of about 4%. We characterize the stationary and turnstile operation by direct current measurements at 100 mK, in a heavily filtered, but electromigration compatible, inverse dilution refrigerator. Analysis of the acquired conductance maps under stationary conditions, reveal a large charging energy (> 10 meV) and mean level spacing (> 1 meV). With a detailed study of the coherence peak broadening at the Coulomb blockade (CB) threshold, we show that electron transport through the quantum dot is conveyed by a single quantum level. Although the tunnel coupling is weak, the single level life-time is dominated by the lead - quantum dot hybridization as thermal energy fluctuation and in-elastic scattering are suppressed by the large single level spacing on the quantum dot and the superconducting gap in the leads. The observation of sub-threshold resonances parallel to the CB diamond edges are consistent with earlier predicted higher-order Cooper-pair - electron (CPE) cotunneling processes. Under turnstile operation a periodic modulation signal (sine or square wave) is added to the static gate potential. We demonstrate quantized current up to 200 MHz at which its accuracy starts to worsen due to missed tunnel events. Strong experimental evidence of the single quantum dot level nature of our turnstile device is provided by a sharp onset of backtunneling processes and the temperature-robust operation beyond 300 mK. Finally we observe a systematic current suppression unique to the low frequency sine wave operation. Supported by theoretical work, we show that the underlying missed tunnel events are caused by adiabatic traverses across the avoided crossing of a quantum dot level and superconducting gap edges. These experiments deliver the first experimental observation of the level repulsion between an electronic discrete state and a semi-continuum and demonstrate the quantum coherent evolution of our devices under adiabatic operation conditions.

La réduction du cout de construction et d’exploitation des futurs accélérateurs d particules, a grande et petite échelles, dépend du développement de nouveaux matériaux pour les surfaces actives des structures supraconductrices en radiofréquence (SRF). Les propriétés SRF sont essentiellement un phénomène de surface vu que la profondeur de pénétration (profondeur de pénétration de London, λ) des micro-ondes (RF) est typiquement de l’ordre de 20 à 400 nm en fonction du matériau. Lorsque les procédés de préparation de surface sont optimises, la limite fondamentale du champ RF que les surfaces SRF peuvent supporter est le champ RF maximum, Hc₁, au-delà duquel le flux magnétique commence à pénétrer la surface du supraconducteur. Le matériau le plus utilise pour des applications SRF est le niobium (Nb) massif, avec un champ Hc₁ de l’ordre de 170 mT, qui permet d’atteindre un champ accélérateur de moins de 50 MV/m. Les meilleures perspectives d’amélioration des performances des cavités SRF sont liées à des matériaux et méthodes de production produisant la surface SRF critique de façon contrôlée. Dans cette optique, deux avenues sont explorées pour utiliser des couches minces pour augmenter les performances des structures SRF au-delà du Nb massif, en monocouche ou en structures multicouches Supraconducteur-Isolant-Supraconducteur (SIS) : La première approche est d’utiliser une couche de Nb déposée sur du cuivre (Nb/Cu) à la place du Nb massif. La technologie Nb/Cu a démontré, au cours des années, être une alternative viable pour les cavités SRF. Toutefois, les techniques de dépôt communément utilisées, principalement la pulvérisation magnétron, n’ont jusqu’à présent pas permis de produire des surfaces SRF adaptées aux performances requises. Le récent développement de techniques de dépôt par condensation énergétiques, produisant des flux d’ions énergétiques de façon contrôlée (telles que des sources d’ions ECR sous ultravide) ouvrent la voie au développement de films SRF de grand qualité. La corrélation entre les conditions de croissance, l’énergie des ions incidents, la structure et les performances RF des films produits est étudiée. Des films Nb avec des propriétés proches du Nb massif sont ainsi produits. La deuxième approche est basée sur un concept qui propose qu’une structure multicouche SIS déposée sur une surface de Nb peut atteindre des performances supérieures à celles du Nb massif. Bien que les matériaux supraconducteurs à haute Tc aient un champ Hc₁ inférieur à celui du Nb, des couches minces de tels matériaux d’une épaisseur (d) inférieure à la profondeur de pénétration voient une augmentation de leur champ parallèle Hc₁ résultant au retardement de la pénétration du flux magnétique. Cette surcouche peut ainsi permettre l’écrantage magnétique de la surface de Nb qui est donc maintenue dans l’état de Meissner à des champs RF bien plus importants que pour le Nb massif. La croissance et performance de structures multicouches SIS basées sur des films de NbTiN, pour le supraconducteur, et de l’AlN, pour le diélectrique, sont étudiées. Les résultats de cette étude montrent la faisabilité de cette approche et le potentiel qui en découle pour l’amélioration des performances SRF au-delà du Nb massif. / The minimization of cost and energy consumption of future particle accelerators, both large and small, depends upon the development of new materials for the active surfaces of superconducting RF (SRF) accelerating structures. SRF properties are inherently a surface phenomenon as the RF only penetrates the London penetration depth λ, typically between 20 and 400 nm depending on the material. When other technological processes are optimized, the fundamental limit to the maximum supportable RF field amplitude is understood to be the field at which the magnetic flux first penetrates into the surface, Hc₁. Niobium, the material most exploited for SRF accelerator applications, has Hc₁~170 mT, which yields a maximum accelerating gradient of less than 50 MV/m. The greatest potential for dramatic new performance capabilities lies with methods and materials which deliberately produce the sub-micron-thick critical surface layer in a controlled way. In this context, two avenues are pursued for the use of SRF thin films as single layer superconductor or multilayer Superconductor-Insulator-Superconductor structures: Niobium on copper (Nb/Cu) technology for superconducting cavities has proven over the years to be a viable alternative to bulk niobium. However the deposition techniques used for cavities, mainly magnetron sputtering, have not yielded, so far, SRF surfaces suitable for high field performance. High quality films can be grown using methods of energetic condensation, such as Electron Cyclotron Resonance (ECR) Nb ion source in UHV which produce higher flux of ions with controllable incident angle and kinetic energy. The relationship between growth conditions, film microstructure and RF performance is studied. Nb films with unprecedented “bulk-like” properties are produced. The second approach is based on the proposition that a Superconductor/Insulator/Superconductor (S-I-S) multilayer film structure deposited on an Nb surface can achieve performance in excess of that of bulk Nb. Although, many higher-Tc superconducting compounds have Hc₁ lower than niobium, thin films of such compounds with a thickness (d) less than the penetration depth can exhibit an increase of the parallel Hc₁ thus delaying vortex entry. This overlayer provides magnetic screening of the underlying Nb which can then remain in the Meissner state at fields much higher than in bulk Nb. A proof of concept is developed based on NbTiN and AlN thin films. The growth of NbTiN and AlN films is studied and NbTiN-based multilayer structures deposited on Nb surfaces are characterized. The results from this work provide insight for the pursuit of major reductions in both capital and operating costs associated with future particle accelerators across the spectrum from low footprint compact machines to energy frontier facilities.

Les hétérostructures de taille nanométrique comprenant des matériaux supraconducteurs (S) en contact avec des matériaux métalliques (N) ou ferromagnétiques (F) présentent des propriétés surprenantes. L'effet de proximité dans les structures F/S/F se manifeste par l'effet vanne de spin. Dans les jonctions S/F/S, on voit l'apparition d'une transition de phase 0-p. Ces propriétés dépendent des paramètres internes du ferromagnétiques. Dans la première partie, nous étudions l'influence d'un décalage énergétique et d'une différence de masse effective pour expliquer l'effet de vanne de spin inverse qui se manifeste dans certaines hétérostructures F/S/F. On étudie la transition de phase 0-p dans le cas de décalage énergétique et d'anisotropie des surfaces de Fermi.La seconde partie est consacré à l'étude de l'effet paramagnétique sur le diagramme (H,T) des bicouches S/N et S/S. On demontre qu'il se forme une phase de supraconductivité induite par champ magnétique à fort champ magnétique et faibles températures. Calculée en présence d'un phase supraconductrice inhomogène de type Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov (FFLO), on s'interesse également à l'influence des impuretés sur cette nouvelle phase supraconductrice à fort champ magnétique.La troisième partie est dévolue à l'étude des multicouches supraconducteur/métal normal(N). Le but de cette partie est d'étudier l'influence du nombre de couche et de décalage d'énergie sur la température critique, la densité d'état des multicouches S/N/.../N épaisses et de l'effet Josephson dans les multicouches S/N/.../N/S. / The atomic-scaled heterostructures with superconducting and ferromagnetic materials exhibit astonishing properties. For example, the proximity effect in the F/S/F sandwiches leads to the spin-valve effect. In the S/F/S junctions, one can observe 0-p phase transiton. These effects depend on the ferromagnetic properties.In the first part, we study the influence of energy shift and effective mass difference to explain the inverse spin valve effect. We also study the 0-p phase diagram and its dependence on the energy shifts and anisotropic sprectra in S/F/S junctions.The second part is devoted to the study of paramagnetic effet on the (H,T) phase diagram of the S/N and S/S bilayers. We demonstrate the formation of a superconducting field induced phase for high magnetic fields and low temperature. Calculated in presence of the superconducting inhomogeneous Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinikov (FFLO) state, we study the influence of the impurities on this new superconducting phase.The last part deals with the study of superconducting-normal metal(N) multilayers. We calculate the influence of the number of layers and energy shift on the density of state, the thermodynamical properties of the S/N/.../N thick multilayer and the Josephson current in the S/N/.../N/S thick junctions.