Dissertations / Theses on the topic 'Supraconducteur désordonné'

Nous avons procédé dans cette thèse, à l'étude de la phase supraconductrice du composé organique quasi unidimensionnel, (TMTSF)2ClO4, dans son état relaxé et dans son état faiblement désordonné en se servant de la vitesse de refroidissement comme paramètre modifiable au passage de la température de transition de la mise en ordre des anions à TAO=24K comme c'est montré par les mesures de rayons X. Des mesures de transport électronique linéaire (mesure de résistivité) et non linéaire (V-I) ont été effectuées en injectant un courant le long de l'axe c de plus faible conduction et sous champ magnétique appliqué perpendiculairement (H//c) et parallèlement (H//b) aux plans supraconducteurs. Dans l'état relaxé, nous avons déterminé, pour la première fois, le diagramme de phase de vortex à partir des mesures de résistivité interplans et sous champ H//c, en établissant les différentes lignes caractéristiques de ce diagramme de phase (ligne du champ critique, ligne de fusion, ). L'analyse des courants critiques et des fluctuations supraconductrice nous révèlent bien clairement l'existence de fluctuations dont le caractère est de nature tridimensionnelle (3D). L'extrapolation de Hc2(T) à T=0K nous donne Hc2(0)=0.19T. Dans l'état liquide de vortex, au dessus de la température de fusion, l'analyse des courbes de résistivité électrique nous révèle un comportement thermiquement activé dans le modèle de TAFF (thermally activated flux flow) décrit par la loi d'Arrhenius. Nous avons fini l'étude de l'état liquide de vortex par une analyse de l'énergie d'activation. Nous avons trouvé une dépendance en 1/H de l'énergie d'activation indiquant une caractéristique liée à la déformation plastique des lignes de flux tridimensionnelles à cause vraisemblablement des joints de grains apparaissant lors du refroidissement. Cette dépendance est en faveur de l'anisotropie modérée dans notre composé. Les mesures de résistivité en champ magnétique appliqué le long de l'axe b de conduction modérée(H//b) montre une survie de la supraconductivité à très fort champ magnétique Cette possible survie de la supraconductivité, peut être expliquée par le changement de la dimensionnalité effective du système 3D vers 2D, résultant de la réduction de la longueur de cohérence supraconductrice à très fort champ magnétique. Le changement de la dimensionnalité 3D vers 2D à partir d'un champ de découplage évalué à H*=1T, s'accompagne d'une transition métal- isolant. A ce champ correspond une température de découplage des plans qui est de 0.65K. L'augmentation du désordre introduit par la vitesse de refroidissement montre une augmentation du champ critique supérieur, une ligne de fusion qui se décale vers les plus basses températures et une diminution de la longueur de corrélation des lignes de flux selon la direction la plus faiblement conductrice.

L'étude de la phase supraconductrice du conducteur organique quasi 1D, (TMTSF)2ClO4, à partir de mesures de transport électronique linéaire ( mesure de la résistivité le long de l'axe c, Pc ) en champ magnétique appliqué perpendiculairement et parallèlement aux plans supraconducteurs, nous a permis de déterminer le diagramme de phase de vortex, en établissant toutes les lignes caractéristiques (ligne du champ critique supérieur, ligne de fusion). L'analyse des courants critiques et des fluctuations supraconductrices montrent aussi que la structure est tridimensionnelle et que le transport dans la direction c est très cohérent, malgré le faible couplage dans cette direction. Dans l'état liquide de vortex, l'énergie d'activation montre une dépendance en H^(-1) caractéristique de la déformation plastique des lignes de flux tridimensionnelles à cause vraisemblablement de joints de grains apparaissant lors du refroidissement. L'augmentation du désordre introduit par la vitesse de refroidissement montre une augmentation du champ critique supérieur, une ligne de fusion qui se décale vers les plus basses températures et une diminution de la longueur de corrélation des lignes de flux selon la direction la plus faiblement conductrice
The present thesis work, was focusing in particular, on the superconducting state of quasi one dimensional organic conductor (TMTSF)2ClO4. We have determined a new vortex phase diagram of this compound, by interlayer transport measurement, performed under magnetic field applied perpendicular to the layers. Starting from an analysis of the critical current and the superconducting fluctuations, we have demonstrated that the electronic structure of (TMTSF)2ClO4 is three dimensional in nature and the transport along the weakest conductivity axis (c-axis) is very coherent although the coupling is weak in this direction. In the mixed state, the pinning energy in the liquid phase shows a 1/H dependence which corresponds to the plastic bending of the flux line lattice. Finally, we have also studied the effect of the disorder introduced by different thermal cooling rates. Our results show strong modifications on the superconducting parameters

L'étude des systèmes désordonnés est un problème ancien mais dont de nombreux aspects ne sont toujours pas élucidés. En effet, l'existence de désordre a le double effet de i. modifier et augmenter l'importance des interférences quantiques et de ii. renforcer les interactions coulombiennes. De plus, la prise en compte d'éventuelles fluctuations supraconductrices enrichit considérablement la problématique. Peuvent alors émerger des phénomènes - localisation, Transition Métal-Isolant, Transition Supraconducteur-Isolant, systèmes fortement corrélés... - qui sont au cœur de la recherche actuelle en matière condensée. En particulier, la dimension 2 est la dimension critique inférieure pour l'existence de la supraconductivité et d'un état métallique. Il est donc particulièrement intéressant d'étudier les systèmes désordonnés au voisinage de cette dimension. Le présent travail vise à étudier les états fondamentaux possibles à 2D et les Transitions de Phase Quantiques (TPQ) entre ces états. Nous menons une étude approfondie de ces transitions sur un système modèle, le NbxSi1-x en couches ultra-minces, à très basse température (5 mK), afin de mesurer les lois d'échelle qui régissent les transitions et de sonder en détail les mécanismes mis en jeu lors des TPQ ainsi que la nature microscopique (fermionique ou bosonique) des phases en présence. Nous avons, en particulier, mené une étude détaillée sur les effets et la nature du désordre dans ces systèmes.

Le transport à très basse température dans des matériaux conducteurs désordonnés implique les phénomènes d'interférences quantiques, de répulsions coulombiennes, et le cas échéant de fluctuations supraconductrices. Deux (2D) étant la dimension critique inférieure pour l'existence des états métallique et supraconducteur, nous avons étudié deux transitions de phase quantiques - la Transition Supraconducteur-Isolant (TSI) et la Transition Métal-Isolant (TMI) - lorsque l'on diminue l'épaisseur d'un système désordonné, ici a-NbSi. La question sous-jacente est celle de l'articulation entre les différentes phases et les conditions d'apparition d'un éventuel état métallique à 2D. Nous avons étudié les TSI induites soit par un champ magnétique soit par le désordre. Les principales caractéristiques observées (renormalisation, rôle de l'orientation du champ) s'interprètent bien dans le cadre de la théorie de M.P.A. Fisher. Cependant nous ne trouvons pas une valeur universelle pour la résistance à la transition et les exposants critiques prévus par cette théorie. Concernant la TMI, nous avons diminué l'épaisseur d'un système métallique jusqu'à tendre vers 2D et l'état isolant. Dans ces deux transitions le passage vers l'isolant montre clairement l'existence d'états dissipatifs à température nulle non prévus par les théories conventionnelles. Nous proposons une interprétation de l'ensemble de nos résultats faisant intervenir une nouvelle phase à 2D entre les états supraconducteur et isolant - un métal de Bose - , prédite par des théories récentes. Nous traçons alors le diagramme de phase du système modèle NbSi en fonction de la concentration et de l'épaisseur des films.

Le transport à très basse température dans des matériaux conducteurs désordonnés implique les phénomènes d'interférences quantiques, de répulsions coulombiennes, et le cas échéant de fluctuations supraconductrices. Deux (2D) étant la dimension critique inférieure pour l'existence des états métallique et supraconducteur, nous avons étudié deux transitions de phase quantiques - la Transition Supraconducteur-Isolant (TSI) et la Transition Métal-Isolant (TMI) - lorsque l'on diminue l'épaisseur d'un système désordonné, ici a-NbSi. La question sous-jacente est celle de l'articulation entre les différentes phases et les conditions d'apparition d'un éventuel état métallique à 2D. Nous avons étudié les TSI induites soit par un champ magnétique soit par le désordre. Les principales caractéristiques observées (renormalisation, rôle de l'orientation du champ) s'interprètent bien dans le cadre de la théorie de M. P. A. Fisher. Cependant nous ne trouvons pas une valeur universelle pour la résistance à la transition et les exposants critiques prévus par cette théorie. Concernant la TMI, nous avons diminué l'épaisseur d'un système métallique jusqu'à tendre vers 2D et l'état isolant. Dans ces deux transitions le passage vers l'isolant montre clairement l'existence d'états dissipatifs à température nulle non prévus par les théories conventionnelles. Nous proposons une interprétation de l'ensemble de nos résultats faisant intervenir une nouvelle phase à 2D entre les états supraconducteur et isolant – un métal de Bose – , prédite par des théories récentes. Nous traçons alors le diagramme de phase du système modèle NbSi en fonction de la concentration et de l'épaisseur des films
Low temperature transport in disordered conducting materials imply quantum interference, Coulomb repulsion, and superconducting fluctuations. Since 2D is the lower critical dimension for the existence of metallic and superconducting states, we have studied two quantum phase transitions – the Superconductor-to-Insulator Transition (SIT) and the Metal-to-Insulator Transition (MIT) – when the thickness of a disordered system – here a-NbSi – is lowered. The underlying problem is the transition between the different states and the conditions for a 2D metal to exist. We have studied the field and disorder-induced SIT. The principal characteristics we have observed (renormalization, role of the field orientation) are well explained by M. P. A. Fisher's theory. However, we do not find the critical exponents values and a universal resistance at the transition as predicted by this theory. Concerning the MIT, we have decreased the thickness of a metallic system to reach the dimension 2 and an insulating state. In both transitions, the passage to the insulating state clearly shows the existence of dissipative states at zero temperature that are not predicted by conventional theories. We propose an interpretation of all our results that implies the existence of a novel phase in 2D, a Bose Metal, between the superconducting and the metallic states. This new state has been predicted by recent theories. We trace the corresponding phase diagram for the model system NbSi with respect to concentration and film thickness

La compréhension du rôle du désordre sur la supraconductivité reste un problème fondamental de la physique du solide. Ce sujet illustre la compétition entre les phénomènes de localisation par le désordre qui conduisent à des isolants et la formation de paires de Cooper qui conduit à une conductivité infinie. Ces effets prennent un caractère spectaculaire en dimension 2, dimension limite pour l'existence de l'état métallique ou de l'état supraconducteur. Généralement le système décrit une Transition directe Supraconducteur -- Isolant (TSI) qui a les caractéristiques d'une Transition de Phase Quantique, transitions définies à T=0 et provoquées par le franchissement d'une valeur critique par le paramètre moteur de la transition. Parmi ces paramètres (intrinsèques au système), on peut citer la densité d'états électroniques, le désordre microscopique et l'épaisseur. L'alliage Nb(x)Si(1-x) est un matériau particulièrement intéressant pour l'étude de cette TSI. Le matériau est amorphe et homogène jusqu'à des épaisseurs de 2,5 nm et des températures de recuit de 250°C et nous observons une TSI induite par la composition, le recuit et l'épaisseur, que nous avons étudiée par rapport aux théories fermionique (Finkel'stein) d'affaiblissement de la supraconductivité par le désordre et bosonique (Dirty Boson Model de Fisher) s'interprétant par la localisation des paires de Cooper. Ces expériences remettent en cause la possibilité de réduire la mesure du " désordre " par un unique paramètre tel que la résistance carrée ou le produit k_F l du vecteur d'onde de Fermi par le libre parcours moyen électronique. En particulier, elles soulignent l'effet spécifique de l'épaisseur. Par ailleurs, pour certaines valeurs des paramètres, nous observons une phase " métallique " qui apparaît à très basse température entre les phases supraconductrices et isolantes, contredisant les théories de la non-existence d'un métal à 2D. Nous avons montré que le diagramme de phase associé à ces échantillons pouvait s'interpréter en introduisant le concept de " métal de Bose", prédit par Das & Doniach. Le Nb(x)Si(1-x) est donc un système prometteur pour l'étude plus approfondie de ce nouvel état métallique.

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.

Les détecteurs de photons uniques aux fréquences visibles sont des outils essentiels dans de nombreux domaines de la technologie quantique, tels que la distribution de clés quantiques ou l'optique quantique. Cependant, la réalisation de détecteurs de photons uniques micro-ondes continus et hautement efficaces reste un défi. Dans cette thèse, nous proposons et mettons en œuvre un détecteur de photons micro-ondes basé sur une jonction tunnel supraconductrice couplée à une cavité micro-ondes. Les photons incidents à la fréquence du résonateur sont absorbés par la jonction via un effet tunnel inélastique de quasiparticules, ce qui entraîne un courant tunnel photo-assisté mesurable. Pour augmenter le taux d'effet tunnel inélastique, le résonateur est fabriqué en aluminium granulaire, ce qui conduit à une impédance caractéristique du mode de l'ordre du quantum de résistance. En mesurant le courant dû aux processus d'ordre supérieur, nous calibrons le détecteur et estimons l'efficacité quantique à 0,83, un ordre de grandeur plus élevé que celui rapporté dans la littérature pour les détecteurs basés sur l'effet tunnel photo-assisté. En plus du courant photo-assisté, la puissance émise par l'échantillon est mesurée, et il est démontré que le même dispositif peut être utilisé pour refroidir efficacement un circuit supraconducteur. Nous discutons de la compatibilité du détecteur de photons mis en œuvre avec les techniques de comptage de charge nécessaires pour discerner les électrons individuels, tels que les RF-SET. Nous réalisons un RF-SET à l'aide d'un résonateur granulaire en aluminium à haute impédance, et nous montrons une forte absorption de photons pour des tensions de polarisation et de grille appropriées. En outre, nous mesurons la sensibilité à la charge de ce dispositif à un niveau aussi bas que 5e-5 e/sqrt(Hz). Ainsi, les expériences de ce travail montrent que la combinaison d'un transistor radiofréquence à électron unique avec un convertisseur photon-électron à haute efficacité basé sur l'effet tunnel inélastique pourrait conduire à un compteur de photons micro-ondes unique pratique
Single photon detectors at visible frequencies have been essential tools in many areas of quantum technology, such as quantum key distribution or quantum optics. However, realizing highly efficient continuous single microwave photon detectors remains challenging. In this thesis, we propose and implement a microwave photon detector based on a superconducting tunnel junction coupled to a microwave cavity. Incident photons at resonator frquency are absorbed by the junction via inelastic quasiparticle tunneling, resulting in measurable photo-assisted tunneling current. To increase the inealstic tunneling rate, the resonator is fabricated in granular aluminium, leading to the mode characteristic impedance on the order of quantum of resistance. By measuring the current due to higher order processes, we calibrate the detector and estimate the quantum efficiency to be 0.83 --- an order of magnitude higher than reported in literature for detectors based on photo-assisted tunneling. In addition to the photo-assisted current, the power emitted by the sample is measured, and it is shown that the same device could be utilized to effectively cool superconducting circuits. We discuss the compatibility of the implemented photon detector with charge counting techniques required for discerning individual electrons, such as RF-SETs. We realize an RF-SET using a high-impedance granular aluminum resonator, and show high photon absorption for suitable bias and gate voltages. Additionally, we measure the charge sensitivity of this device as low as 5e-5 e/sqrt(Hz). Thus, the experiments in this work show that combining a radio-frequency single-electron transistor with a high efficiency photon to electron converter based on inelastic tunneling could lead to a practical single microwave photon counter

L'avènement des supraconducteurs à haute température critique (SHTc) a non seulement bouleversé les notions fondamentales de la physique des solides, il a aussi provoqué une révolution dans la compréhension du comportement des lignes de flux magnétiques quantifiés qui traversent le matériau supraconducteur lorsqu'il est exposé à un champ magnétique. Grâce à la coincidence des valeurs extrèmes des paramètres caractérisant la supraconductivité dans les SHTc, les propriétés physiques des vortex, leur dynamique, et leur diagramme de phases dans le plan (B,T) ont pu être étudiés dans un détail jusque-là inaccessible. Il a ainsi été établi que la véritable transition de la phase supraconductrice vers la phase normale n'a pas lieu au deuxième champ critique Bc2, mais à la transition de fusion de l'ensemble des lignes de flux. Dans des matériaux supraconducteurs désordonnés, il apparaît une nouvelle phénoménologie, liée à l'ancrage des lignes de flux sur les défauts du matériau. De nouvelles phases thermodynamiques de vortex ancrés ont été postulés, et, dans certains cas, trouvées. Le but de ce document est de porter un regard critique sur le mécanisme menant à la transition de fusion de l'ensemble des vortex dans les SHTc, ainsi que sur le rôle du désordre cristallin dans la physique des lignes de flux. L'approche première est de, avant tout, caractériser au mieux les matériaux avec lesquels on travaillera par la suite. Cette caractérisation inclut non seulement la mesure des principaux paramètres de la supraconductivité: température critique, longueur de pénétration, champs critiques; mais aussi le contrôle de la pureté des matériaux et du désordre cristallin éventuel. Dans cette optique, le travail s'inscrit dans la mission du Laboratoire des Solides Irradiés, qui est d'accéder à la physique des matériaux en contrôlant le désordre par irradiation. On essaiera ensuite d'attaquer la transition de fusion par l'emploi d'une méthode originale, utilisable dans les SHTc lamellaires comme le Bi2Sr2CaCu2O8 : la Résonance de Plasma Josephson. Cette technique permettra d'évaluer les excursions thermiques moyennes des lignes de flux au voisinage de la transition, dans des cristaux bruts de croissance et irradiés. Le rôle du désordre cristallin est étudié également par une approche novatrice: c'est l'étude de la modification des propriétés thermodynamiques par le désordre, plutôt que les propriétés de transport. Enfin, on conclut sur comment ces approches peuvent nous aider à comprendre le diagramme de phases des lignes de flux dans des supraconducteurs désordonnés de manière contrôlée.

Cette thèse présente une étude associant des mesures de spectroscopie tunnel, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de transport électronique sur des échantillons supraconducteurs désordonnés d'oxyde d'indium. Les mesures de transport révèlent une divergence de la résistivité depuis la température ambiante court-circuitée par la supraconductivité à basse température. Ce comportement traduit la proximité des échantillons avec la transition métal-isolant d'Anderson. La spectroscopie tunnel met en évidence un état supraconducteur inhabituel présentant un régime de pseudogap au-dessus de la température critique. Celui-ci évolue à basse température en un système inhomogène composé de paires de Cooper supraconductrices et de paires de Cooper localisées par le désordre, sans cohérence de phase. La comparaison entre plusieurs échantillons montre que ces paires de Cooper incohérentes prolifèrent avec l'augmentation du désordre et indique ainsi que la transition supraconducteur-isolant dans l'oxyde d'indium est gouvernée par la localisation progressive des paires de Cooper. Par ailleurs, en utilisant notre STM, nous avons décrit continûment l'évolution de la conductance locale entre le régime tunnel et le régime de contact. La spectroscopie d'Andreev révèle une nouvelle échelle d'énergie liée à la cohérence de phase supraconductrice et indépendante des fluctuations spatiales de la densité d'états mesurées en régime tunnel. Ceci montre que le désordre provoque une dichotomie entre l'énergie de liaison caractérisant l'appariement électronique et l'énergie de cohérence propre à l'état supraconducteur macroscopique
This thesis presents a study combining tunneling spectroscopy, point-contact Andreev spectroscopy and electronic transport on disordered superconducting indium oxide samples. Transport measurements reveal a diverging resistivity from room temperature shortcut by superconductivity at low temperature. This behavior shows that our samples are in the vicinity of the metal-insulator Anderson transition. Tunneling spectroscopy highlights a rather unusual superconducting state with a pseudogap regime above the critical temperature. It evolves at low temperature into an inhomogeneous system composed of both superconducting Cooper pairs and Cooper pairs without phase coherence, localized by the disorder. Comparison between different samples shows that incoherent Cooper pairs proliferate with increasing level of disorder, what indicates that superconductor-insulator transition in indium oxide is governed by the progressive localization of Cooper pairs. Besides, using our STM, we have continuously analyzed the local conductance between tunneling regime and contact regime. Andreev spectroscopy thus reveals a new energy scale related to the superconducting phase coherence and independent from spatial fluctuations of the density of states measured in tunneling regime. This shows that disorder induces a dichotomy between the pairing energy characterizing the binding of electrons into pairs and the coherence energy specific to macroscopic superconductivity

Cette thèse présente une étude associant des mesures de spectroscopie tunnel, de spectroscopie d'Andreev en mode point-contact et de transport électronique sur des échantillons supraconducteurs désordonnés d'oxyde d'indium. Les mesures de transport révèlent une divergence de la résistivité depuis la température ambiante court-circuitée par la supraconductivité à basse température. Ce comportement traduit la proximité des échantillons avec la transition métal-isolant d'Anderson. La spectroscopie tunnel met en évidence un état supraconducteur inhabituel présentant un régime de pseudogap au-dessus de la température critique. Celui-ci évolue à basse température en un système inhomogène composé de paires de Cooper supraconductrices et de paires de Cooper localisées par le désordre, sans cohérence de phase. La comparaison entre plusieurs échantillons montre que ces paires de Cooper incohérentes prolifèrent avec l'augmentation du désordre et indique ainsi que la transition supraconducteur-isolant dans l'oxyde d'indium est gouvernée par la localisation progressive des paires de Cooper. Par ailleurs, en utilisant notre STM, nous avons décrit continûment l'évolution de la conductance locale entre le régime tunnel et le régime de contact. La spectroscopie d'Andreev révèle une nouvelle échelle d'énergie liée à la cohérence de phase supraconductrice et indépendante des fluctuations spatiales de la densité d'états mesurées en régime tunnel. Ceci montre que le désordre provoque une dichotomie entre l'énergie de liaison caractérisant l'appariement électronique et l'énergie de cohérence propre à l'état supraconducteur macroscopique.

Ce mémoire propose une étude expérimentale des réseaux de vortex supraconducteur par mesures de transport, impédance de surface et bruit de tension et de flux magnétique, ainsi que des mesures de diffraction neutronique. La technique de mesure de bruit et fluctuations électroniques est également présentée et adaptée à l'étude d'oxydes à corrélations électroniques et magnétiques particulières.

Une methode de preparation de materiaux composites constitues d'une dispersion de grains supraconducteurs a haute temperature critique ybacuo frittes dans une matrice d'argent est exposee. On dedie l'aimantation et la resistivite electrique des materiaux en fonction de la temperature du champ magnetique et de la concentration des grains. On montre que les comportements observes sont revelateurs d'effets de granularite a diverses echelles et qu'ils peuvent etre compris dans le cadre d'une approche phenomenologique impliquant la notion de biens supraconducteurs faibles

Cette étude traite du dépiégeage et de la dynamique des systèmes élastiques désordonnés. Ce cadre regroupe une large classe de systèmes allant des interfaces (telles que les parois de domaines dans les systèmes magnétiques ou ferroélectriques) aux systèmes périodiques (comme les réseaux de vortex dans les supraconducteur de type II, les colloïdes ou encore les cristaux de Wigner). Dans ces systèmes, la compétition entre l'élasticité de la structure qui veut imposer un ordre parfait et le désordre induit une grande richesse dans le diagramme de phase. L'étude est menée par simulations numériques à grande échelle, dans lesquelles nous nous intéresserons spéci fiquement aux réseaux 2D de vortex supraconducteurs. Deux types de dépiégeage sont observés lorsque l'on met en mouvement ces réseaux à l'aide d'une force extérieure : un dépiégeage plastique et un dépiégeage élastique. Nous portons notre attention sur la transition de dépiégeage élastique obtenue dans le cas d'un piégeage faible. A travers une analyse en loi d'échelle à température nulle et à température nie nous montrons le caractère continu de la transition. Divers exposants critiques sont déterminés dont l'exposant et caractérisant la dépendance en force et en température de la vitesse ou bien l'exposant caractérisant la divergence de la longueur de corrélation du système. Un modèle visco-élastique simple permettant de décrire la plasticité dans les systèmes périodiques évoluant sur un potentiel de piégeage en présence de désordre fort est également développé. Une grande variété de comportements dynamiques, similaires à ceux observés à plus grande échelle dans des systèmes périodiques, peuvent être extraits d'un tel modèle. Un dépiégeage élastique ou plastique est observé, de l'hystérésis est mesurée dans le cas du dépiégeage élastique, et du chaos est détecté pour le dépiégeage plastique.

Dans cette thèse, j'étudie les sauts de phase quantiques dans des supraconducteurs unidimensionnels. Les supraconducteurs unidimensionnels peuvent être représentés par deux systèmes physiques: un fil supraconducteur ou une chaîne de jonctions de Josephson. Un fil supraconducteur peut être considéré unidimensionnel si ses dimensions transversales sont inférieures à la longueur de cohérence supraconductrice. Dans les systèmes unidimensionnels, les fluctuations ont une grande influence sur les propriétés du système. Les sauts de phase quantiques correspondent au tunnel quantique entre différentes configurations de phase le long du supraconducteur. Ils peuvent être de deux types. Les sauts de phase quantiques cohérents n'impliquent pas de dissipation et ne font que déplacer les niveaux d'énergie du système. Les sauts de phase quantiques incohérents entraînent une relaxation dissipative dans le système.Nous commençons par étudier un processus incohérent de saut de phase dans une jonction de Josephson sous-atténuée et soumise à un courant externe. Ce processus correspond à un processus tunnel dissipatif entre des niveaux faiblement élargis dans les minima voisins du potentiel de planche à laver incliné. J'obtiens une expression pour les pics de tension proches des valeurs de résonance du courant externe, qui correspondent à l’énergie du niveau le plus bas dans un minimum et celle d'un niveau excité dans le minimum voisin étant proches. Ce processus est analogue à la rupture résonante de Zener connue pour les électrons dans un super-réseau soumis à un champ électrique fort.Nous continuons à étudier les sauts de phase quantiques cohérents dans une chaîne de jonctions de Josephson. Tout d'abord, nous déterminons l'amplitude d'un saut de phase quantique cohérent dans une chaîne homogène. Il a déjà été montré que l’amplitude est déterminée par l’action de l'instanton dans un temps imaginaire, qui peut être divisée en deux parties: l’action locale (correspondant à un enroulement de la phase par 2π sur une jonction) et l’environnement (correspondant à un réajustement de la phase dans le reste de la chaîne, qui est déterminée par des parties de Mooij-Schön sans gap). Nous obtenons une correction numérique de la partie environnementale de l'action, allant au-delà de la précision logarithmique. Deuxièmement, nous étudions l'effet de la modulation périodique spatiale des paramètres de la chaîne sur la phase quantique cohérente. Nous calculons les corrections aux parties locale et environnementale de l’action du sauts de phase quantique cohérent et montrons que les deux peuvent être significatives, en fonction des paramètres de la chaîne et des modulations. Puis nous étudions l’effet des deux types de désordre : modulation spatiale aléatoire des surfaces des jonctions et des charges de fond induites de manière aléatoire. Le résultat principal est que la contribution dominante à l'action cohérente du saut de phase quantique est locale. Nous étudions également la statistique des fluctuations mésoscopiques de l’amplitude des sauts de phase quantiques et montrons qu’elle peut être non Gaussienne pour des chaînes qui ne sont pas suffisamment longues.Enfin, nous considérons des fils supraconducteurs unidimensionnels. Il n'y a pas de théorie microscopique disponible pour l'enroulement de phase rapide dans le noyau du saut de phase, où le paramètre d'ordre est supprimé. Cependant, le processus lent de réajustement de la phase, déterminé par les modes de Mooij-Schön avec des fréquences inférieures à 2Δ, est analogue à celui des chaînes de jonction de Josephson, de sorte que la partie environnementale résultante de l'action du saut de phase quantique cohérent prend la même forme. Par conséquent, nous discutons de la façon dont nos résultats, obtenus pour les chaînes de jonction Josephson, peuvent être appliqués à des fils supraconducteurs inhomogènes
In this thesis quantum phase slips in one-dimensional superconductors are studied. One-dimensional superconductors can be represented by two physical systems: a superconducting wire and a Josephson junction chain. A superconducting wire can be considered one-dimensional, if its transverse dimensions are smaller than the superconducting coherence length. In one-dimensional systems fluctuations strongly influence the system properties. The quantum phase slips correspond to quantum tunneling between different phase configurations along the superconductor. They can be of two types. Coherent quantum phase slips do not involve dissipation and only shift energy levels of the system. Incoherent quantum phase slips lead to a dissipative relaxation in the system.We start with studying an incoherent phase-slip process in a single underdamped current-biased Josephson junction. This process corresponds to dissipative tunneling between weakly broadened levels in neighboring minima of the tilted washboard potential. We derive an expression for the voltage peaks near the resonant values of the external current, which correspond to matching energies of the lowest level in one minimum and an excited level in the lower neighboring minimum. This process is analogous to resonant Zener breakdown known for electrons in a superlattice subject to a strong electric field.We continue with studying coherent quantum phase slips in a Josephson junction chain. First, we determine the amplitude of a coherent quantum phase slip in a homogeneous chain. It has already been shown that the amplitude is determined by the imaginary-time instanton action, which can be divided into the local (corresponding to phase winding by 2π on one junction) and environmental (corresponding to phase readjustment in the rest of the chain, which is determined by gapless Mooij-Schön modes) parts. We derive a numerical correction to the environmental part of the action, going beyond logarithmic precision. Second, we study the effect of spatial periodic modulations of the chain parameters on the coherent quantum phase slip process. We calculate the corrections both to the local and environmental part of the coherent quantum phase slip action and show that both of them can be significant, depending on the chain and modulations parameters. Then, we study the effect of two types of quenched disorder: random spatial modulation of the junction areas and random induced background charges. The main result is that the dominant contribution to the coherent quantum phase slip action is local. We also study the statistics of the mesoscopic fluctuations of the quantum phase slips amplitude and show that it can be non-Gaussian for chains which are not sufficiently long.Finally, we consider one-dimensional superconducting wires. There is no microscopic theory available for the fast phase winding in the phase-slip core, where the order parameter is suppressed. However, the slow phase readjustment process, determined by the Mooij-Schön modes with frequencies lower than 2Δ, is analogous to that in Josephson junction chains, so the resulting environmental part of the coherent quantum phase slip action takes the same form. Therefore, we discuss how our results, obtained for Josephson junction chains, can be applied to inhomogeneous superconducting wires

Un matériau 3D, initialement supraconducteur, peut avoir différents états fondamentaux dépendamment de son degré de désordre : supraconducteur, métallique ou isolant. A dimension réduite (2D), la localisation d’Anderson interdit théoriquement tout état métallique. La modification du désordre induit alors une Transition directe Supraconducteur-Isolant (TSI). La présence de fortes interactions électroniques, non prises en compte dans les théories conventionnelles, pourrait cependant remettre en cause ce paradigme et laisser émerger des états métalliques 2D, complexifiant l’image généralement admise de la TSI. Ainsi, des travaux récents ont révélé la présence de deux phases métalliques distinctes dans les films minces de a-NbxSi1-x, s’intercalant entre les états supraconducteur et isolant.Durant cette thèse, nous avons étudié les propriétés de transport électronique à basse fréquence et à très basse température (T<1K) de films minces de NbxSi1-x amorphes afin de caractériser l’évolution de l’état fondamental en fonction du désordre. Celui-ci a été modifié dans nos films en jouant sur la température de recuit, l’épaisseur et la composition. Nous nous sommes alors attardés sur la destruction de ces états métalliques vers un état isolant. L’analyse des lois de conduction dans le régime isolant nous a permis de quantifier l’évolution de ses propriétés – notamment des énergies caractéristiques – en fonction du désordre. Nous avons alors pu conclure que la phase isolante pouvait être essentiellement décrite par un modèle fermionique. A moindre désordre, dans la phase métallique 2D adjacente à l’isolant, nous avons mis en évidence des signes précurseurs de l’état isolant qui évoluent continument jusqu’à et à travers la Transition Métal 2D-Isolant. Nous proposons une interprétation de l’ensemble de nos résultats impliquant deux canaux parallèles dont l’importance relative est déterminée par le désordre : l’un est fermionique, l’autre gouverné par des fluctuations supraconductrices qui persistent même lorsque la cohérence macroscopique a disparu. L’état métallique est alors dominé par ces dernières, alors que, dans l’isolant, la localisation des excitations fermioniques l’emporte.Une seconde partie de la thèse s’est concentrée sur le développement expérimental d’un dispositif de calibration large bande dédié à l’étude de films minces en réflectométrie haute fréquence (GHz) à basses températures (T<4K). Ce dispositif a pour but, lors d’une unique mise à froid, de mesurer successivement la réflexion de références connues ainsi que de l’échantillon. La calibration obtenue permet ainsi de s’affranchir de l’environnement micro-onde et d’obtenir la valeur absolue de l’impédance complexe de ces films. Les résultats obtenus sur des films minces supraconducteurs de Vanadium, comparés aux théories de la supraconductivité, permettent une première validation du dispositif et de son principe de fonctionnement en vue d’une utilisation sur des systèmes plus complexes, tels que les films minces proches de la TSI
An initially superconducting 3D material can have different ground states, depending on its disorder : superconducting, metallic or insulating. At lower dimensionality, Anderson localization theoretically forbids any metallic state. A change in disorder then induces a direct Superconductor-to-Insulator Transition (SIT). The presence of strong Coulomb interactions, which are not taken into account in conventional theories, may disrupt this paradigm and enable the emergence of 2D metallic phases, thus complicating the generally admitted picture for the SIT. Indeed, recent work has revealed the existence of two distinct metallic phases in a-NbxSi1-x thin films, in between the superconducting and insulating states.During this work, we have studied the low frequency transport properties of amorphous NbxSi1-x films at low temperatures (T<1K), in order to characterize the evolution of their ground state with disorder. In our films, disorder has been tuned by varying the heat treatment temperature, the thickness or the composition. We have then focused on the destruction of these metallic states, giving rise to an insulating state. Through the analysis of conduction laws in the insulating regime, we have quantified the evolution of its properties – in particular its characteristic energies – as disorder is varied. We could then conclude that the insulating phase can essentially be accounted for by a fermionic model. At lower disorder level, in the 2D metallic phase neighboring the insulator, we have evidenced precursor signs of the insulating state which continuously evolve until and through the 2D Metal-to-Insulator Transition. We offer an interpretation of all our results implying the existence of two parallel channels which relative importance is determined by the sample disorder level : one is fermionic, the other governed by superconducting fluctuations which persist even when the macroscopic phase coherence is lost. The metallic state is then dominated by the latter, whereas, in the insulator, fermionic excitations prevail.In a second part, we report on the experimental development of a calibration device for the broadband reflectometry measurement of thin films at microwave frequencies (GHz) and low temperatures (T<4K). This apparatus aims at measuring, during a single cool down, the reflection of known references as well as of the sample. The obtained calibration enables to obtain the absolute value of the films complex impedance, independently of the microwave environment. The results obtained on superconducting Vanadium films, compared with theories of superconductivity, enabled a first validation of the setup and of its working principle. This calibration device is therefore operational to measure more complex systems, such as thin films in the vicinity of the SIT

La première partie de cette thèse traite des chaînes de spins quantiques. On étudie tout d'abord des systèmes de spins quantiques qui sont reliés de façon continue à la chaîne de Heisenberg s=1. La construction d'un modèle sigma non-linéaire permet d'estimer le gap de ces systèmes. On étudie ensuite une chaîne de spins s=1/2 dopée par des impuretés non-magnétiques possédant un spin nucléaire. A l'aide de techniques de bosonisation, on calcule analytiquement le temps de relaxation longitudinal d'une impureté en fonction de la température, corrections logarithmiques incluses. Ce type d'analyse est également mené sur un liquide de Luttinger chiral, modélisant par exemple un demi-fil quantique. La deuxième partie est consacrée aux systèmes désordonnées en basse dimension. Des liens formels sont éclaircis entre modèle désordonné sur réseau, fermions de Dirac en milieu aléatoire, chaînes de spins supersymétriques non-compactes et modèle sigma non-linéaire. Le détail des calculs est donné sur l'exemple de la transition entre plateaux de l'effet Hall quantique entier. On calcule ensuite exactement les densités d'états et les longueurs de localisation typiques d'un fermion de Dirac en dimension 1 dans des potentiels aléatoires de différentes natures. De nombreux modèles de théorie de la matière condensée, comme par exemple la chaîne XX désordonnée, se ramènent à ce système. Puis nous étudions les fermions de Dirac en dimension 2 en milieu aléatoire. Plus particulièrement, nous analysons le cas de fermions en masse aléatoire. Ce modèle décrit les excitations de basse énergie d'un supraconducteur d'onde $d$ dont les impuretés sont magnétiques. Un diagramme de phase est proposé. Il s'articule autour du point tricritique des fermions de Dirac libres et fait apparaître une phase métallique thermique inattendue.

Afin de mieux comprendre les différents processus qui apparaissent à la transition supraconducteur-isolant (SIT), nous avons sondé simultanément les propriétés électroniques globales et locales de films minces de NbN, élaborés ex-situ sur un substrat de saphir. La transition a été approchée en réduisant l'épaisseur des échantillons, augmentant la résistance par carré de l'état normal à plusieurs kiloOhms. Les Tc correspondant aux films étudiés varient de Tc≈15K qui est proche de TC-bulk à Tc≈3.8K (Tc/TC-bulk≈0.23). Dans la gamme 0.4TC-bulk
In order to better understand the various processes taking place at the superconductor-insulator transition (SIT), we have probed simultaneously the global and local electronic properties of NbN ultrathin films, elaborated ex-situ on sapphire substrate. The transition was approached by reducing the films thickness, increasing the normal state square resistance to several kiloOhms. The corresponding Tc's of the studied films ranged from about Tc≈15K, which is close to TC-bulk, to Tc≈3.8K (Tc/TC-bulk≈0.23). In the range 0.4TC-bulk

Afin de mieux comprendre les différents processus qui apparaissent à la transition supraconducteur-isolant (SIT), nous avons sondé simultanément les propriétés électroniques globales et locales de films minces de NbN, élaborés ex-situ sur un substrat de saphir. La transition a été approchée en réduisant l'épaisseur des échantillons, augmentant la résistance par carré de l'état normal à plusieurs kiloOhms. Les Tc correspondant aux films étudiés varient de Tc≈15K qui est proche de TC-bulk à Tc≈3.8K (Tc/TC-bulk≈0.23). Dans la gamme 0.4TC-bulk
In order to better understand the various processes taking place at the superconductor-insulator transition (SIT), we have probed simultaneously the global and local electronic properties of NbN ultrathin films, elaborated ex-situ on sapphire substrate. The transition was approached by reducing the films thickness, increasing the normal state square resistance to several kiloOhms. The corresponding Tc's of the studied films ranged from about Tc≈15K, which is close to TC-bulk, to Tc≈3.8K (Tc/TC-bulk≈0.23). In the range 0.4TC-bulk