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Thèse confidentielle jusqu'au 26 octobre 2022.; The need for memory storage devices has skyrocketed over the last few decades especially after the development of the internet. This need has reached enormous heights in the past two years, soon after the pandemic due to COVID-19. Hard disk drives (HDDs) are known to have the potential to meet up with the high-density data storage demands. This thesis deals with one of the major challenges faced within the spintronic community to improve the speed and the energy consumption of memory devices.The speed of operation during the writing of a magnetic bit depends on the magnetization switching mechanism employed. The switching mechanism is itself dependent on the intrinsic magnetic properties of the sample and the externally induced excitation that drives the reversal of the magnetic bit 1. In this thesis, we will focus on the use of spin-orbit torque (SOT) excitations to drive the reversal, which is a relatively new but fast and energy-efficient approach in comparison with other state-of-the-art methods.The typical speed of magnetization reversal using SOTs is in the range of few nanoseconds, far slower than the picosecond-long switching that is possible with charge-based memory devices2. In fact, a record reversal speed with electrical pulses as short as ~200ps was reported by Garello et. al., 3 in 2011 using SOTs. This thesis reports further efforts to speed up the magnetization reversal by almost 2 orders of magnitude by exploiting such SOTs. To this aim, THz electrical pulses were generated via the use Auston photoconductive switches. We demonstrate that a single 6ps wide electrical pulse can induce a SOT to a 1nm thin Co ferromagnetic layer and result in a full magnetization reversal. A systematic study to understand SOTs in the picosecond time regime is also undertaken via using different magnetic nanostructures.In magnetic memory devices, a “read-head” is used to read the stored information in the device. Typically, in spintronic devices, giant magnetoresistance (GMR) or tunnel magnetoresistance (TMR) based read heads are used for such operations. In this thesis, we also report on the attempts of developing a GMR sensor working in the THz regime.To undertake the aforementioned studies, a pump-probe optical and optoelectrical experimental setup has also been built and a detailed report of the same is also provided in the thesis.; Le besoin de dispositifs de stockage de mémoire a explosé au cours des dernières décennies, en particulier après le développement d'Internet. Ce besoin a atteint des sommets énormes au cours des deux dernières années, peu après la pandémie due au COVID-19. Les disques durs (HDD) sont connus pour avoir le potentiel de répondre aux demandes de stockage de données haute densité. Cette thèse traite de l'un des défis majeurs rencontrés au sein de la communauté spintronique pour améliorer la vitesse et la consommation d'énergie des dispositifs de mémoire. La vitesse de fonctionnement lors de l'écriture d'un bit magnétique dépend du mécanisme de commutation de magnétisation utilisé. Le mécanisme de commutation est lui-même dépendant des propriétés magnétiques intrinsèques de l'échantillon et de l'excitation induite de l'extérieur qui entraîne l'inversion du trépan magnétique 1. Dans cette thèse, nous nous concentrerons sur l'utilisation des excitations du couple spin-orbite (SOT) pour entraîner l'inversion, qui sont une approche relativement nouvelle mais rapide et économe en énergie par rapport à d'autres méthodes de pointe. La vitesse typique d'inversion de magnétisation à l'aide des SOT est de l'ordre de quelques nanosecondes, bien plus lente que la commutation longue de la picoseconde qui est possible avec les dispositifs de mémoire basés sur la charge 2. En fait, une vitesse d'inversion record avec des impulsions électriques aussi courtes que ~ 200 ps a été signalée par Garello et. al., 3 en 2011 en utilisant des SOT. Cette thèse rapporte des efforts supplémentaires pour accélérer l'inversion de l'aimantation de près de 2 ordres de grandeur en exploitant de tels SOT. Dans ce but, des impulsions électriques THz ont été générées via l'utilisation de commutateurs photoconducteurs Auston. Nous démontrons qu'une seule impulsion électrique de 6ps de large peut induire un SOT sur une couche ferromagnétique de Co d'une épaisseur de 1 nm et entraîner une inversion complète de l'aimantation. Une étude systématique pour comprendre les SOT dans le régime temporel picoseconde est également entreprise via l'utilisation de différentes nanostructures magnétiques. Dans les dispositifs à mémoire magnétique, une "tête de lecture" est utilisée pour lire les informations stockées dans le dispositif. Typiquement, dans les dispositifs spintroniques, des têtes de lecture à magnétorésistance géante (GMR) ou à magnétorésistance tunnel (TMR) sont utilisées pour de telles opérations. Dans cette thèse, nous rapportons également les tentatives de développement d'un capteur GMR fonctionnant en régime THz. Pour entreprendre les études susmentionnées, un montage expérimental optique et optoélectrique pompe-sonde a également été construit et un rapport détaillé de celui-ci est également fourni dans la thèse.

This thesis was aimed at studying the generation, propagation and manipulation of spin-waves in nanostructures of thin films of Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) and one of its doped variants (BiYIG), in order to enable the design of spin-wave based signal processing schemes and devices operating at radiofrequencies. Two goals have been pursued in parallel: 1.Provide a better understanding of spin-wave radiofrequency devices for analog applications such as filters or delay lines. 2.Explore the physics of spin-orbit-torque (SOT) applied to propagating spin-waves and understand the non-linear phenomena that have so far hindered any practical magnonic amplification scheme. Prior to the present work, spin-orbit effects in YIG|Pt microstructures have been demonstrated to be a powerful new paradigm to control the propagation and emission of coherent spin-waves. An intense research effort has been put in the lab to grow epitaxial nanometer thick YIG films by pulsed laser deposition (PLD). The film thickness was reduced down to a few nanometers while preserving its excellent magnetic properties. More recently, ultra-thin Bi-doped YIG films have been developed, introducing a large and controllable perpendicular magnetic anisotropy term (PMA) while preserving the excellent damping properties of YIG. Additionally, the Bi atoms induce a very large Faraday rotation angle which increases the sensitivity of direct imaging methods like Brillouin Light Scattering microscopy (BLS) by nearly two orders of magnitude. This important step forward on the material aspect opened up new possibilities for the realization of magnonic devices that can have a large impact on the ICT industry. Indeed, microfabrication of YIG is now possible thanks to the advent of high-quality nanometer thick YIG films. In the meantime, BiYIG, with its controllable PMA and large magneto-optical coupling, quickly imposed itself as a material whose properties are particularly well suited to the study of SOT effects. During this thesis, analog devices have been fabricated using standard nano-lithography techniques. They are of two sorts: 1.A delay lines based on a 300 nm thick YIG film have been characterized. The impedance matching problem was analytically solved, and we demonstrated a clear path toward realistic optimized targets in terms of losses and functionalities. All the analysis and modeling tools have been implemented in open source python programs. 2.Additionally, we have studied the efficient implementation of radiofrequency filtering using periodic nanostructurations thanks to the advent of 20 nm thick YIG films with low damping. A width-modulated waveguide was studied, and the experimental results were accurately reproduced using full-scale micromagnetic simulations, paving the way toward the reliable optimization of magnonic crystals’ properties. Using a thickness-modulated waveguide, we strongly suppressed the extra losses induced by defects, demonstrating a very efficient implementation of a 1D magnonic crystal. Finally, active nano-magnonic devices have been fabricated. By engineering the perpendicular magnetic anisotropy of Bi-doped YIG, we showed that we can both achieve a very high temperature stability (50 times larger than YIG) on a wide range of temperatures (260K to 400K) and a suppression of the leading detrimental non-linear coupling term in supercritical SOT systems. The transient regime of the spin-current induced auto-oscillation was fully characterized, and a spin-wave amplification scheme based on the spin-orbit-torque phenomenon was demonstrated. We also revealed a frequency or wavevector dependence of the amplification efficiency in both the subcritical and the supercritical regime.; Cette thèse porte sur l’étude de la génération, la propagation et la détection d’ondes de spins dans des nanostructures élaborées à partir de couches ultra-minces (quelques nanomètres d’épaisseur) de Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) et un de ses variant dopé (BiYIG). Le but est de permettre le développement de dispositifs pour le traitement des signaux hyperfréquences, basés sur les ondes de spins. Deux objectifs ont été poursuivis en parallèle : 1.Apporter une meilleure compréhension des dispositifs magnoniques hyperfréquence pour des application analogiques tel que les filtres ou les lignes à retard. 2.Explorer la physique du couple orbital de spin (SOT) appliqué aux ondes de spins progressives et comprendre les effets non-linéaires qui ont jusqu’à présent empêchés la réalisation d’un dispositif efficace d’amplification des ondes de spins. Ce travail repose sur les études démontrant que les effets spin-orbite dans les microstructures YIG|Pt constitue un puissant paradigme pour le control de la propagation et de l'émission d'ondes de spins. Il s’appuie également sur l’expertise développée au laboratoire dans la croissance de couches ultra fine épitaxiées de YIG, élaborées par ablation laser pulsée (PLD). Plus récemment, des couches ultra-minces de YIG dopé au Bismuth (BiYIG) ont été développées. L’introduction du Bi induit une forte anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), tout en préservant les excellentes propriétés dynamiques du YIG. Le Bi augmente également fortement la rotation Faraday et, par conséquent, améliore d’autant la sensibilité des méthodes d'imagerie directe, telle que la microscopie à diffusion Brillouin (BLS). Ces avancées importantes sur l'aspect matériaux ont ouvert de nouvelles possibilités pour la réalisation de dispositifs magnoniques. En effet, la micro-fabrication du YIG est désormais possible. Par ailleurs, le BiYIG, avec son anisotropie accordable et son fort couplage magnéto-optique, s'est rapidement imposé durant ma thèse comme un matériau parfaitement adapté à l’exploration des effets SOT. Au cours de cette thèse, des dispositifs analogiques ont été fabriqués à l'aide de techniques standard de nano-lithographie. Ils sont de deux sortes : 1.Des lignes à retard basées sur un film de YIG de 300 nm d'épaisseur ont été caractérisées. Le problème de l’adaptation d'impédance a été résolu de façon analytique, nous permettant d’établir des objectifs ciblés, basés sur nos paramètres expérimentaux, dans le but d’optimiser les caractéristiques techniques des lignes à retard magnoniques. Les outils d'analyse et de modélisation développés au cours de cette thèse ont été implémentés dans des programmes python et mis en libre accès. 2.Par ailleurs, nous avons démontré l’efficacité de filtres hyperfréquence basés sur la nano-structuration périodique de guides d’ondes de YIG fin (20 nm). Un guide d'ondes modulé en largeur a été étudié et les résultats expérimentaux reproduits avec précision à l'aide de simulations micromagnétiques à l’échelle, ouvrant la voie à une optimisation fiable des propriétés des structures périodiques de YIG (cristaux magnoniques). En utilisant un guide d'ondes modulé en épaisseur, nous avons fortement supprimé les pertes engendrées par les défauts de fabrication, démontrant une réalisation efficace d'un cristal magnonique 1D. Enfin, des dispositifs nano-magnoniques actifs ont été fabriqués. En modulant l'anisotropie du BiYIG, nous avons montré que nous pouvions obtenir une stabilité thermique très élevée sur une large gamme de températures et une suppression du terme de couplage non linéaire préjudiciable dans les systèmes SOT supercritiques. Le régime transitoire de l'auto-oscillation, induite par le courant de spin, a été entièrement caractérisé, et un dispositif d'amplification des ondes de spin, basé sur le phénomène de SOT, a été démontré. Une dépendance en fréquence ou en vecteur d’ondes de l’efficacité de l’amplification a été observée dans les régimes sous-critiques et sur-critiques.

In spin transfer torque random access memories (STTMRAM), the magnetization of a thin ferromagnetic layer is reversed under the action of a polarized spin current. Along this manuscript we study the switching path that the STTMRAM undergo. First I present the basic theoretical concepts necessary for our forthcoming calculations. Then comes a state of the art of the switching path. The first results I present are micromagnetic simulations of the switching. We study the impact of the diameter of the device on the switching path. From these numerical calculations we predict for devices between 20 and 100 nm at room temperature a switching path composed of a coherent phased followed by a domain wall nucleation and motion. It is the switching path expected in our forthcoming measurements. The domain wall dynamics observed in the micromagnetic simulations present complex Walker oscillations that are not understood from the domain wall models of the state of the art. Therefore, I present a more complete model for the domain wall dynamics within a STTMRAM which takes into account the exact geometry of the system. In this geometry the elasticity terms act as a new effective field called the stretch field. The stretch field plays a key role in the wall dynamics and explains the complex Walker oscillations. The conditions under which these effects can be measured are also predicted by our new model. Our measurements are performed on state-of-the-art STTMRAM based on perpendicular magnetic tunnel junction. The diameter of the devices varies between 26 and 200 nm. We characterize our devices by magnetometry, ferromagnetic resonance and electrical time-resolved measurements of the switching path. The switching path in our time-resolved measurements presents the signatures of an initial coherent phase and of a domain wall motion. This is in agreement with the simulated switching path. The complex Walker oscillations predicted by our models are measured in specific devices with an ultrasoft free layer, but not in our most standard stack. This highlight the interest of our analytical models for understanding the behavior of application-oriented devices.; Dans les mémoires magnétiques à transfert de spin, l’aimantation d’une couche mince ferromagnétique est retournée sous l’effet d’un courant polarisé. Au cours de ce manuscrit est étudiée la façon dont ce retournement s’opère, appelée chemin de retournement. Après avoir posé les concepts théoriques de base nécessaires et effectué un état de l’art du chemin de retournement, je présente les résultats de nos simulations micromagnétiques. Nous avons étudié le chemin de retournement en fonction du diamètre du dispositif. Ces calculs numériques prédisent un retournement composé d’une phase cohérente suivie de la nucléation et de la propagation d’une paroi de domaine. Ce chemin de retournement est attendu pour les dispositifs the 20 à 100 nm à température ambiante, donc dans nos mesures à venir. La propagation de paroi de domaine observée dans les simulations présente de complexes oscillations de Walker qui ne sont pas expliquées par les modèles de l’état de l’art. Aussi je présente un modèle de dynamique de paroi plus complet, où la géométrie exacte du système est prise en compte. Dans cette géométrie l’élasticité de la paroi donne naissance à un nouveau champ que nous appelons champ d’étirement. Ce champ d’étirement joue un rôle capital dans la dynamique de paroi et va nous permettre de comprendre et de prédire les oscillations de Walker complexes. Nos mesures sont effectuées pour des dispositifs de mémoires magnétiques à transfert de spin dernière génération, basé sur une jonction tunnel magnétique à anisotropie perpendiculaire. Le diamètre de nos dispositifs varie entre 26 et 200 nm. Nous effectuons des mesures de magnétométrie, de résonance ferromagnétique et des mesures électriques résolues en temps de la commutation. Le chemin de retournement mesuré dans ces dernières présente les signatures d’une phase initiale cohérente suivie d’un déplacement de paroi de domaine, comme calculé dans nos simulations. Les fortes oscillations de Walker prédites par nos modèles sont observées pour des échantillons spécifiques où la couche libre présente peu de défauts, mais pas dans nos échantillons les plus standards. Ceci met en lumière l’intérêt de nos travaux analytiques dans la compréhension du retournement dans des dispositifs destinés aux applications industrielles.

The influence of spin-orbit coupling on transport properties has been a topic of strong and growing interest in the last ten years. In order to use of spin-orbit torque for applications in the field of spin electronics, it is necessary to reduce the critical current necessary for the reversal and to decrease or eliminate the planar external magnetic field applied. My thesis work concerns the experimental study of heavy metal / ferrimagnetic bilayer model systems (W / CoxTb1-x or Pt / CoxTb1 - x). In such ferrimagnetic alloys, the magnetization of the Cobalt sub-lattice is coupled antiparallel to the magnetization of the Terbium sub-lattice. These alloys are particularly interesting because for certain concentration, there is a temperature for which the magnetization of the two sub-networks are equal resulting in zero magnetization. This is the magnetization compensation temperature. At first I characterized these systems using magnetometry and Hall cross measurements for temperatures ranging from 10 to 350 K. The experiments of magnetization reversal of magnetization induced by the current were carried out in a "Spin- orbit torque” (SOT) geometry where the current pulses are injected into the plane and the reversal of the magnetization is detected by measuring the Hall resistance. The complete magnetization reversal was observed in all the samples. The current reversal was found to vary continuously with the alloy composition and we did not observe any reduction at the compensation point despite the large increase in the SOT efficiency. A model based on the coupled Landau-Lifschitz-Gilbert equations shows that the reversal current density is proportional to the effective perpendicular anisotropy, which does not decrease at the compensation point. Although TbCo has a strong perpendicular magnetic anisotropy, the reversal occurs for a weak planar magnetic field. We were able to show that the heating caused by the current plays an important role in the switching. Indeed the reversal seems to occur at a characteristic switching temperature (Tswitch) induced by Joule heating. Tswitch is larger than the magnetic and angular compensation temperatures, but lower than the Curie temperature. Everything happens as if it was necessary to reach a temperature close to the order temperature for the reversal to take place.; Un fort intérêt se porte actuellement sur l'influence du couplage spin-orbite sur les propriétés de transport. Notamment la possibilité de retourner l’aimantation grâce au couple spin-orbite (SOT). Afin d’envisager l’utilisation du SOT pour des applications dans le domaine de l’électronique de spin il est nécessaire de réduire le courant critique nécessaire au retournement et diminuer ou éliminer le champ magnétique externe planaire appliqué. Mon travail de thèse concerne l’étude expérimentale de systèmes bicouches métaux lourds/ ferrimagnétique (W/ CoxTb1−x ou Pt / CoxTb1−x ). Dans les alliages ferrimagnétiques, l’aimantation du sous réseau du Cobalt est couplé antiparallèlement à l’aimantation du sous réseau de Terbium. Ces alliages sont particulièrement intéressants car pour une certaine concentration, il existe une température pour laquelle l’aimantation des deux sous réseaux sont égales et donc que l’aimantation résultante est nulle. Dans un premier temps j’ai caractérisé ces systèmes par magnétométrie et par mesures de résistance Hall anomale pour des températures allant de 10 à 350 K. Les expériences de renversement d’aimantation induite par le courant ont été effectuées dans une géométrie « couple Spin-orbite » (SOT) où les impulsions de courant sont injectées dans le plan et le retournement de l’aimantation est détectée par la mesure de la résistance de Hall. Le retournement complet de l'aimantation a été observée dans tous les échantillons. Le courant de retournement varie de façon continue avec la composition de l’alliage et nous n’avons pas observé une réduction de celui-ci au point de compensation malgré la forte augmentation de l’efficacité du SOT. Un modèle basé sur les équations de Landau-Lifschitz-Gilbert couplées montre que la densité du courant de retournement est proportionnelle à l’anisotropie perpendiculaire effective, qui ne diminue pas au point de compensation. Bien que le TbCo possède une forte anisotropie magnétique perpendiculaire, le retournement se produit pour un champ magnétique planaire faible. Nous avons pu montrer que le chauffage provoqué par le courant joue un rôle important. En effet le retournement semble se produire à une température de commutation caractéristique Tswitch induite par le chauffage Joule qui est supérieure aux températures de compensation magnétique et angulaire mais inférieure à sa température de Curie (TC). Tout se passe comme s’il fallait atteindre une température proche de TC pour que le retournement ait lieu.

Synthetic ferrimagnets with perpendicular magnetic anisotropy have been studied extensively in the past decades. Their outstanding properties in terms of spintronics, especially concerning the current-induced magnetic domain wall propagation lead us to contemplate them as promising candidates as materials for magnetic racetrack memories. Besides, considering the remarkable properties of iridium concerning the transport and the generation of pure spin currents by means of spin orbit torque, as well as its large RKKY coupling properties, this material seems to be an excellent material as a spacer for synthetic ferrimagnets. In this manuscript, we study magnetic multilayers composed of two magnetic layers of cobalt separated by an iridium spacer. We optimise the growth of these multilayers by choosing the most adequate thicknesses, so as to obtain a model system for racetrack memories applications. Thus, we maximise the antiferromagnetic exchange between the cobalt layers, and the remanence magnetisation. Besides, we study the spin current generation and transport properties of iridium by spin pumping ferromagnetic resonance means. We draw the conclusion that iridium-based synthetic ferrimagnets can be considered as model systems for racetrack memory technology., Les matériaux ferrimagnétiques de synthèse à aimantation perpendiculaire ont été étudiés extensivement lors de la dernière décennie. Leurs propriétés d’électronique de spin, notamment en ce qui concerne les propagations de parois magnétiques par l’injection d’un courant, en font des candidats idéaux pour les applications de mémoires magnétiques de type racetrack. Du fait de propriétés remarquables concernant d’une part la génération et le transport de courant de spin par couple de spin orbite, et d’autre part le couplage d’échange de type RKKY, l’iridium est un excellent candidat en tant que matériau de spacer pour les matériaux ferrimagnétiques de synthèse. Dans ce manuscrit, nous étudions des multicouches ferrimagnétiques de synthèse composées de deux couches de cobalt séparées par un spacer d’iridium. Nous présentons d’une part l’optimisation de la croissance de tels matériaux, de sorte à obtenir un système modèle en vue d’applications pour des « racetrack memories ». Nous maximisons ainsi le couplage d’échange antiferromagnétique entre les couches de cobalt et l’aimantation à rémanence. D’autre part, nous étudions les propriétés de transport de spin de l’iridium grâce à des méthodes de résonance magnétique par pompage en spin. Nous en concluons que les matériaux ferrimagnétiques de synthèse à base d’iridium sont des systèmes modèles pour la fabrication de « racetrack memories ».

The influence of spin-orbit coupling on transport properties has been a topic of strong and growing interest in the last ten years. In order to use of spin-orbit torque for applications in the field of spin electronics, it is necessary to reduce the critical current necessary for the reversal and to decrease or eliminate the planar external magnetic field applied. My thesis work concerns the experimental study of heavy metal / ferrimagnetic bilayer model systems (W / CoxTb1-x or Pt / CoxTb1 - x). In such ferrimagnetic alloys, the magnetization of the Cobalt sub-lattice is coupled antiparallel to the magnetization of the Terbium sub-lattice. These alloys are particularly interesting because for certain concentration, there is a temperature for which the magnetization of the two sub-networks are equal resulting in zero magnetization. This is the magnetization compensation temperature. At first I characterized these systems using magnetometry and Hall cross measurements for temperatures ranging from 10 to 350 K. The experiments of magnetization reversal of magnetization induced by the current were carried out in a "Spin- orbit torque” (SOT) geometry where the current pulses are injected into the plane and the reversal of the magnetization is detected by measuring the Hall resistance. The complete magnetization reversal was observed in all the samples. The current reversal was found to vary continuously with the alloy composition and we did not observe any reduction at the compensation point despite the large increase in the SOT efficiency. A model based on the coupled Landau-Lifschitz-Gilbert equations shows that the reversal current density is proportional to the effective perpendicular anisotropy, which does not decrease at the compensation point. Although TbCo has a strong perpendicular magnetic anisotropy, the reversal occurs for a weak planar magnetic field. We were able to show that the heating caused by the current plays an important role in the switching. Indeed the reversal seems to occur at a characteristic switching temperature (Tswitch) induced by Joule heating. Tswitch is larger than the magnetic and angular compensation temperatures, but lower than the Curie temperature. Everything happens as if it was necessary to reach a temperature close to the order temperature for the reversal to take place., Un fort intérêt se porte actuellement sur l'influence du couplage spin-orbite sur les propriétés de transport. Notamment la possibilité de retourner l’aimantation grâce au couple spin-orbite (SOT). Afin d’envisager l’utilisation du SOT pour des applications dans le domaine de l’électronique de spin il est nécessaire de réduire le courant critique nécessaire au retournement et diminuer ou éliminer le champ magnétique externe planaire appliqué. Mon travail de thèse concerne l’étude expérimentale de systèmes bicouches métaux lourds/ ferrimagnétique (W/ CoxTb1−x ou Pt / CoxTb1−x ). Dans les alliages ferrimagnétiques, l’aimantation du sous réseau du Cobalt est couplé antiparallèlement à l’aimantation du sous réseau de Terbium. Ces alliages sont particulièrement intéressants car pour une certaine concentration, il existe une température pour laquelle l’aimantation des deux sous réseaux sont égales et donc que l’aimantation résultante est nulle. Dans un premier temps j’ai caractérisé ces systèmes par magnétométrie et par mesures de résistance Hall anomale pour des températures allant de 10 à 350 K. Les expériences de renversement d’aimantation induite par le courant ont été effectuées dans une géométrie « couple Spin-orbite » (SOT) où les impulsions de courant sont injectées dans le plan et le retournement de l’aimantation est détectée par la mesure de la résistance de Hall. Le retournement complet de l'aimantation a été observée dans tous les échantillons. Le courant de retournement varie de façon continue avec la composition de l’alliage et nous n’avons pas observé une réduction de celui-ci au point de compensation malgré la forte augmentation de l’efficacité du SOT. Un modèle basé sur les équations de Landau-Lifschitz-Gilbert couplées montre que la densité du courant de retournement est proportionnelle à l’anisotropie perpendiculaire effective, qui ne diminue pas au point de compensation. Bien que le TbCo possède une forte anisotropie magnétique perpendiculaire, le retournement se produit pour un champ magnétique planaire faible. Nous avons pu montrer que le chauffage provoqué par le courant joue un rôle important. En effet le retournement semble se produire à une température de commutation caractéristique Tswitch induite par le chauffage Joule qui est supérieure aux températures de compensation magnétique et angulaire mais inférieure à sa température de Curie (TC). Tout se passe comme s’il fallait atteindre une température proche de TC pour que le retournement ait lieu.

This thesis studies experimentally the transient dynamics of magnetic nano-oscillators for brain-inspired computing.For pattern recognition tasks such as speech or visual recognition, the brain is much more energy efficient than classical computers. Developing brain-inspired chips opens the path to overcome the limitations of present processors and to win several orders of magnitude in the energy consumption of data processing. The efficiency of the brain originates from its architecture particularly well adapted for pattern recognition. The building blocks of this architecture are the biological neurons, which can be seen as interacting non-linear oscillators generating spatial chain reactions of activations. Nevertheless, the brain has one hundred billion neurons and a brain-inspired chip would require extremely small dimension oscillators. The spin-transfer torque oscillators (STNO) have nanometric size, they are fast (nanosecond time-scales), highly non-linear and their spin-torque dependent response is easily tunable (for instance by applying an external magnetic field or a d.c. current). They work at room temperature, they have a low thermal noise and they are compatible with CMOS technologies. Because of these features, they are excellent candidates for building hardware neural networks, which are compatible with the standard computers.In this thesis, we used a single STNO to emulate the behavior of a whole neural network. In this time multiplexed approach, the oscillator emulates sequentially each neuron and a temporal chain reaction replace the spatial chain reaction of a biological neural network. In particular, we used the relaxation and the non-linear dependence of the oscillation amplitude with the applied current to perform neuromorphic computing. One of the main results of this thesis is the demonstration of speech recognition (digits said by different speakers) with a state-of-the-art recognition rate of 99.6%. We show that the recognition performance is highly dependent on the physical properties of the STNO, such as the linewidth, the emission power or the frequency. We thus optimized the experimental bias conditions (external applied magnetic field, d.c. current and rate of the input) in order to leverage adequately the physical properties of the STNO for recognition. Voice waveforms require a time-to-frequency transformation before being processed, and this step is performed numerically before the experiment. We studied the influence of different time-to-frequency transformations on the final recognition rate, shading light on the critical role of their non-linear behavior. Finally, in order to solve problems requiring memory, such as temporal sequence analysis, we measured the intrinsic memory of a STNO, which comes from the relaxation of the oscillation amplitude. We also increased this memory, using a delayed feedback loop. This feedback improved the range of memory from a few hundreds of nanoseconds to more than ten microseconds. This feedback memory allows suppressing up to 99% of the errors on a temporal pattern recognition task (discrimination of sine and square waveforms).; L’objectif de cette thèse est la réalisation expérimentale de calcul bio-inspiré en utilisant la dynamique transitoire d’oscillateurs magnétique nanométriques.Pour bien des tâches telle que la reconnaissance vocale, le cerveau fonctionne bien plus efficacement en terme d’énergie qu’un ordinateur classique. Le développement de puces neuro-inspirées offre donc la perspective de surmonter les limitations des processeurs actuels et de gagner plusieurs ordres de grandeurs sur la consommation énergétique du traitement de données. L’efficacité du cerveau à traiter des données est due à son architecture, qui est particulièrement adaptée à la reconnaissance de motifs. Les briques de base de cette architecture sont les neurones biologiques. Ceux-ci peuvent être vus comme des oscillateurs non linéaires qui interagissent et génèrent des cascades spatiales d’activations en réponse à une excitation. Cependant le cerveau comprend cent milliards de neurones et le développement d’une puce neuro-inspiré requerrait des oscillateurs de très petite dimension. Les oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont de taille nanométrique, ont une réponse rapide (de l’ordre de la nanoseconde), sont fortement non-linéaires et leur réponse dépendante du couple de transfert de spin est aisément ajustable (par exemple par l’application d’un courant continu ou d’un champ magnétique). Ils fonctionnent à température ambiante, ont un très faible bruit thermique, et sont compatible avec les technologies CMOS. Ces caractéristiques en font d’excellents candidats pour la réalisation de réseaux artificiels de neurones compatibles avec un ordinateur classique.Dans cette thèse, nous avons utilisé un unique STNO pour générer le comportement d’un réseau de neurones. Ainsi l’oscillateur joue à tour de rôle chaque neurone. Une cascade temporelle remplace donc la cascade spatiale d’un réseau de neurones biologiques. En particulier nous avons utilisé la relaxation et la dépendance non-linéaire de l’amplitude des oscillations afin de réaliser du calcul neuromorphique. L’un des résultats principaux de cette thèse est la réalisation de reconnaissance vocale (reconnaissance de chiffres dits par 5 locuteurs différents) en obtenant un taux de reconnaissance à l’état de l’art de 99.6%. Nous avons pu montrer que les performances de la reconnaissance sont étroitement dépendantes des propriétés physiques du STNO tel que l’évolution de la largeur de raie, la puissance d’émission, ou la fréquence d’émission. Nous avons donc optimisé les conditions expérimentales (champs magnétiques et courant continu appliqués, fréquence du signal à traiter) afin de pouvoir utiliser au mieux les propriétés physiques du STNO pour la reconnaissance. Les signaux vocaux requièrent d’être transformés du domaine temporel au domaine fréquentiel, avant de pouvoir être traités, et cette étape est réalisée numériquement en amont de l’expérience. Nous avons étudié l’influence de différents prétraitements sur la reconnaissance et mis en évidence le rôle majeur de la non-linéarité de ces derniers. Enfin, afin de pouvoir traiter des problèmes requérant de la mémoire, tel que par exemple des signaux sous forme de séquences temporelles, nous avons mesuré la mémoire que possède intrinsèquement un STNO, du fait de sa relaxation. Nous avons aussi augmenté cette mémoire à l’aide d’une boucle à retard. Ce dispositif a permis d’accroître la plage de mémoire de quelques centaines de nanosecondes à plus d’une dizaine de microsecondes. L’ajout de cette mémoire extrinsèque a permis de supprimer jusqu’à 99% des erreurs sur une tâche de reconnaissance de motifs temporels (reconnaissance de signaux sinusoïdaux et carrés).

This thesis studies experimentally the transient dynamics of magnetic nano-oscillators for brain-inspired computing.For pattern recognition tasks such as speech or visual recognition, the brain is much more energy efficient than classical computers. Developing brain-inspired chips opens the path to overcome the limitations of present processors and to win several orders of magnitude in the energy consumption of data processing. The efficiency of the brain originates from its architecture particularly well adapted for pattern recognition. The building blocks of this architecture are the biological neurons, which can be seen as interacting non-linear oscillators generating spatial chain reactions of activations. Nevertheless, the brain has one hundred billion neurons and a brain-inspired chip would require extremely small dimension oscillators. The spin-transfer torque oscillators (STNO) have nanometric size, they are fast (nanosecond time-scales), highly non-linear and their spin-torque dependent response is easily tunable (for instance by applying an external magnetic field or a d.c. current). They work at room temperature, they have a low thermal noise and they are compatible with CMOS technologies. Because of these features, they are excellent candidates for building hardware neural networks, which are compatible with the standard computers.In this thesis, we used a single STNO to emulate the behavior of a whole neural network. In this time multiplexed approach, the oscillator emulates sequentially each neuron and a temporal chain reaction replace the spatial chain reaction of a biological neural network. In particular, we used the relaxation and the non-linear dependence of the oscillation amplitude with the applied current to perform neuromorphic computing. One of the main results of this thesis is the demonstration of speech recognition (digits said by different speakers) with a state-of-the-art recognition rate of 99.6%. We show that the recognition performance is highly dependent on the physical properties of the STNO, such as the linewidth, the emission power or the frequency. We thus optimized the experimental bias conditions (external applied magnetic field, d.c. current and rate of the input) in order to leverage adequately the physical properties of the STNO for recognition. Voice waveforms require a time-to-frequency transformation before being processed, and this step is performed numerically before the experiment. We studied the influence of different time-to-frequency transformations on the final recognition rate, shading light on the critical role of their non-linear behavior. Finally, in order to solve problems requiring memory, such as temporal sequence analysis, we measured the intrinsic memory of a STNO, which comes from the relaxation of the oscillation amplitude. We also increased this memory, using a delayed feedback loop. This feedback improved the range of memory from a few hundreds of nanoseconds to more than ten microseconds. This feedback memory allows suppressing up to 99% of the errors on a temporal pattern recognition task (discrimination of sine and square waveforms).; L’objectif de cette thèse est la réalisation expérimentale de calcul bio-inspiré en utilisant la dynamique transitoire d’oscillateurs magnétique nanométriques.Pour bien des tâches telle que la reconnaissance vocale, le cerveau fonctionne bien plus efficacement en terme d’énergie qu’un ordinateur classique. Le développement de puces neuro-inspirées offre donc la perspective de surmonter les limitations des processeurs actuels et de gagner plusieurs ordres de grandeurs sur la consommation énergétique du traitement de données. L’efficacité du cerveau à traiter des données est due à son architecture, qui est particulièrement adaptée à la reconnaissance de motifs. Les briques de base de cette architecture sont les neurones biologiques. Ceux-ci peuvent être vus comme des oscillateurs non linéaires qui interagissent et génèrent des cascades spatiales d’activations en réponse à une excitation. Cependant le cerveau comprend cent milliards de neurones et le développement d’une puce neuro-inspiré requerrait des oscillateurs de très petite dimension. Les oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont de taille nanométrique, ont une réponse rapide (de l’ordre de la nanoseconde), sont fortement non-linéaires et leur réponse dépendante du couple de transfert de spin est aisément ajustable (par exemple par l’application d’un courant continu ou d’un champ magnétique). Ils fonctionnent à température ambiante, ont un très faible bruit thermique, et sont compatible avec les technologies CMOS. Ces caractéristiques en font d’excellents candidats pour la réalisation de réseaux artificiels de neurones compatibles avec un ordinateur classique.Dans cette thèse, nous avons utilisé un unique STNO pour générer le comportement d’un réseau de neurones. Ainsi l’oscillateur joue à tour de rôle chaque neurone. Une cascade temporelle remplace donc la cascade spatiale d’un réseau de neurones biologiques. En particulier nous avons utilisé la relaxation et la dépendance non-linéaire de l’amplitude des oscillations afin de réaliser du calcul neuromorphique. L’un des résultats principaux de cette thèse est la réalisation de reconnaissance vocale (reconnaissance de chiffres dits par 5 locuteurs différents) en obtenant un taux de reconnaissance à l’état de l’art de 99.6%. Nous avons pu montrer que les performances de la reconnaissance sont étroitement dépendantes des propriétés physiques du STNO tel que l’évolution de la largeur de raie, la puissance d’émission, ou la fréquence d’émission. Nous avons donc optimisé les conditions expérimentales (champs magnétiques et courant continu appliqués, fréquence du signal à traiter) afin de pouvoir utiliser au mieux les propriétés physiques du STNO pour la reconnaissance. Les signaux vocaux requièrent d’être transformés du domaine temporel au domaine fréquentiel, avant de pouvoir être traités, et cette étape est réalisée numériquement en amont de l’expérience. Nous avons étudié l’influence de différents prétraitements sur la reconnaissance et mis en évidence le rôle majeur de la non-linéarité de ces derniers. Enfin, afin de pouvoir traiter des problèmes requérant de la mémoire, tel que par exemple des signaux sous forme de séquences temporelles, nous avons mesuré la mémoire que possède intrinsèquement un STNO, du fait de sa relaxation. Nous avons aussi augmenté cette mémoire à l’aide d’une boucle à retard. Ce dispositif a permis d’accroître la plage de mémoire de quelques centaines de nanosecondes à plus d’une dizaine de microsecondes. L’ajout de cette mémoire extrinsèque a permis de supprimer jusqu’à 99% des erreurs sur une tâche de reconnaissance de motifs temporels (reconnaissance de signaux sinusoïdaux et carrés).

Ce manuscrit traite du transport à travers des monocouches auto-assemblées (self-assembled monolayers, SAMs) de molécules photoisomérisables greffées sur des matériaux ferromagnétiques (FMs) pour des applications à la frontière de l'électronique moléculaire et de la spintronique. Ces systèmes sont étudiés par le mode conductif du microscope à force atomique, à l'air et sous ultravide. Il est attendu que les jonctions FM-SAM/pointe présentent une photo-commutation de résistance au cours de cycles d'irradiation. Un premier couple FM-SAM allie le manganite de lanthane dopé au strontium (LSMO) à un dérivé de diaryléthène (DDA). Il est montré que la diminution des courants à travers la SAM après irradiation UV, d'un ratio 5, ne saurait être liée à la photoisomérisation de DDA mais à la modification du LSMO par échauffement. De même, le champ électrique et la force appliqués par la sonde conduisent au switch-off intempestif du LSMO. Cet effet est cependant fortement diminué lorsque le substrat est passivé par une SAM de DDA. Le second système étudié est un dérivé d'azobenzène (AzBT) greffé sur cobalt. Co-AzBT montre une photo-commutation de résistance partiellement réversible avec un ratio de courant de 21 à +0,5 V. Le cobalt exposé à l'air ambiant montre également une commutation de résistance sous l'action de la sonde. Ce phénomène est quasi-absent lorsque le métal est protégé par une SAM. Ces travaux illustrent les difficultés inhérentes à l'emploi de FMs mais ouvrent cependant de nouvelles voies vers des dispositifs opto-spintroniques hybrides exploitant les couplages entre conformation moléculaire et transport polarisé en spin.; This thesis focuses on electrical transport through self-assembled monolayers (SAMs) of photoisomerisable compounds grafted on ferromagnetic materials (FMs) for applications at the frontier between molecular electronics and spintronics. These systems have been characterized by conductive atomic force microscopy under ambient conditions and ultra-high vacuum. FM-SAM/tip junctions are expected to show resistance photoswitching during irradiation cycles. The first FM-SAM couple consists of lanthanum strontium manganite (LSMO) and a diarylethene derivative (DDA). We show that the switch-off of LSMO-DDA after UV irradiation, characterized by a ratio 5 of current, does not result from DDA isomerization but rather from LSMO heating. Similarly, electric field and strain applied by the tip also lead to the switch-off of the LSMO. Nevertheless, this last effect is disrupted when LSMO is protected by a DDA SAM. The second system studied is an azobenzene derivative grafted on cobalt. Co-AzBT exhibits an ON/OFF current ratio up to 21 at +0,5 V, partially reversible. Tip-induced switch-off was also observed on air exposed cobalt but is quasi-absent when the substrate is protected by a SAM. Despite showing the difficulties inherent to the use of FMs, this work sheds light on new ways to realize hybrid opto-spintronics molecular devices, triggered by isomerization and spin-polarized transport.

The field of magnetic storage is in constant progress to constantly push further the storage capacity of the device. A promising approach is the perpendicular magnetic recording of datas. The material presented in this manuscript is cobalt ferrite. It is an excellent candidate for the realization of perpendicular storage device due to its properties. The present work deals with the modification of the magnetic anisotropy by doping the ferrite cobalt thin films with rare earth elements. We have demonstrated the possibility to modulate the easy magnetization axis of undoped cobalt ferrite by changing the partial pressure of O2/N2 during the elaboration of the thin films. We have also highlighted the insertion of rare earth elements into the structure of the cobalt ferrite although their important ionic radii. The impact of the rare earth anisotropy on the magnetic properties of the ferrite cobalt has also been observed.; Le domaine de l’enregistrement magnétique est en constante évolution pour repousser davantage les limites de stockage de l’information, une approche prometteuse étant l’enregistrement perpendiculaire. Le matériau faisant l’objet de ce manuscrit est le ferrite de cobalt CoFe2O4 (= CFO). Ses propriétés font de lui un candidat prometteur pour la réalisation de dispositif à enregistrement perpendiculaire, cela passant par le contrôle de sa direction de facile aimantation.Ce travail de thèse traite ainsi de la modification de l’anisotropie magnétocristalline du CFO en couche mince par dopage aux éléments de terres rares. Nous avons démontré la possibilité de moduler la direction de facile aimantation du CFO non dopé, en modifiant la pression partielle en O2/N2 lors de l’élaboration. Nous avons également mis en évidence l’insertion des éléments lanthanides dans la structure du CFO ainsi que l’impact de l’anisotropie de la terre rare sur les propriétés magnétiques du matériau.

The field of magnetic storage is in constant progress to constantly push further the storage capacity of the device. A promising approach is the perpendicular magnetic recording of datas. The material presented in this manuscript is cobalt ferrite. It is an excellent candidate for the realization of perpendicular storage device due to its properties. The present work deals with the modification of the magnetic anisotropy by doping the ferrite cobalt thin films with rare earth elements. We have demonstrated the possibility to modulate the easy magnetization axis of undoped cobalt ferrite by changing the partial pressure of O2/N2 during the elaboration of the thin films. We have also highlighted the insertion of rare earth elements into the structure of the cobalt ferrite although their important ionic radii. The impact of the rare earth anisotropy on the magnetic properties of the ferrite cobalt has also been observed., Le domaine de l’enregistrement magnétique est en constante évolution pour repousser davantage les limites de stockage de l’information, une approche prometteuse étant l’enregistrement perpendiculaire. Le matériau faisant l’objet de ce manuscrit est le ferrite de cobalt CoFe2O4 (= CFO). Ses propriétés font de lui un candidat prometteur pour la réalisation de dispositif à enregistrement perpendiculaire, cela passant par le contrôle de sa direction de facile aimantation.Ce travail de thèse traite ainsi de la modification de l’anisotropie magnétocristalline du CFO en couche mince par dopage aux éléments de terres rares. Nous avons démontré la possibilité de moduler la direction de facile aimantation du CFO non dopé, en modifiant la pression partielle en O2/N2 lors de l’élaboration. Nous avons également mis en évidence l’insertion des éléments lanthanides dans la structure du CFO ainsi que l’impact de l’anisotropie de la terre rare sur les propriétés magnétiques du matériau.

The Heusler alloy family contains several compounds considered to be prime candidates to be integrated as magnetic electrode into high-⁠performance spintronic devices. Some of these alloys indeed exhibit high Curie temperatures, have been predicted theoretically to be half-⁠metallic, and display a low Gilbert damping parameter. Nevertheless, the experimental results are generally less convincing than those reported numerically.The first part of this thesis is devoted to the ab initio study of hypotheses that are usually used to explain the differences between experimental and theoretical results. Calculations, based on the density functional theory, are then used to understand the impact of structural defects (partial chemical disorders, tetragonal deformation, vacancies) on the static and dynamic electronic and magnetic properties of Co-⁠based bulk full-Heusler alloys (Co2MnSi, Co2MnSn, Co2MnAl et Co2FeAl).In the second part of this thesis we propose to study, with the same numerical tools, the physical characteristics of "all-Heusler" heterostructures promising for spintronics and rare in the literature. We have focused on the variations of electronic properties in the vicinity of the "half-metal/insulator" (Fe2TiSi/Co2MnSi, CoTiAs/Co2MnSi) or "half-metal/non-magnetic metal" (Fe2VAl/Co2MnSi, RhNiSi/Co2MnSi) interfaces composing the studied multilayers. The obtained results highlight the interest of these structures for spintronic devices such as spin valves or magnetic tunnel junctions.; La famille des alliages d'Heusler regroupe plusieurs composés considérés comme étant des candidats de choix pour être intégrés en tant qu'électrode magnétique dans des dispositifs d'électronique de spin performants. Les plus intéressants de ces alliages présentent en effet des températures de Curie élevées, une demi-métallicité théorique ainsi qu'un faible coefficient d'amortissement de Gilbert. Expérimentalement, les résultats obtenus sont cependant généralement moins probants que ceux annoncés numériquement.La première partie de cette thèse est donc consacrée à l'étude ab initio d'hypothèses usuellement utilisées pour expliquer les différences entre mesures expérimentales et résultats théoriques. Des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité ont été effectués pour comprendre l'impact de défauts structuraux (désordres chimiques partiels, déformations tétragonales, lacunes) sur les propriétés électroniques et magnétiques statiques et dynamiques d'alliages full-Heusler massifs à base de Co (Co2MnSi, Co2MnSn, Co2MnAl et Co2FeAl).Dans la seconde partie de cette thèse nous proposons d'étudier, avec les mêmes outils numériques, les caractéristiques physiques d'hétérostructures "tout-Heusler" prometteuses pour l'électronique de spin et rares dans la littérature. Nous nous sommes concentrés sur les variations des propriétés électroniques aux voisinages des interfaces demi-métal/isolant (Fe2TiSi/Co2MnSi, CoTiAs/Co2MnSi) ou demi-métal/métal (Fe2VAl/Co2MnSi, RhNiSi/Co2MnSi) composant les multicouches étudiées. Les résultats obtenus démontrent l'intérêt certain de ces structures pour des applications en électronique de spin, telles que les vannes de spin ou les jonctions tunnel magnétiques.

This work is about polarised hot electrons spin precession. This phenomenon is induced by the exchange field of a ferromagnetic thin film in a multilayer structure. The electronic spin precession has already been measured in ferromagnetic materials, but only for electrons whose energy is more than 4eV over the Fermi level. The initial aim of this PhD work is to measure the electron spin precession for weak energies, between 0.7 eV and 2eV over the Fermi level. In order to achieve that, a magnetic tunnel transistor composed of three magnetic layers with their magnetisations directions perpendicular to each other has to be elaborated. The electrons are injected at low energy by means of a tunnel junction. A Schottky diode (interface between Cu and Si) filters the incident electrons by their energies, which enables only ballistic electrons to contribute to the measured current in the semi-conductor. The first task consisted in obtaining a magnetic layer showing perpendicular magnetic anisotropy. We succeeded in growing cobalt nickel multilayers exhibiting a perpendicular magnetic anisotropy up to five repetitions. The second part of the job carried out during this PhD was to optimise the magneto-current of a spin valve. Indeed, it determines the magnetic tunnel transistor sensitivity. We have demonstrated that the magneto-current increases with the number of repetitions of the [Co/Ni] multilayer up to a maximum of nearly a hundred percent, which is the maximum theoretically predicted in a spin valve with crossed magnetisations. Eventually, the third task of this PhD was the study of the electron spin precession in various ferromagnetic materials. This effect has been evidenced here for thin layers with in-plane magnetisations composed of Co, CoFeB, and also for a CoAl alloy depending on the thickness of the layers, Ce travail porte sur la précession du spin d’électrons chauds polarisés en spin. Celle-ci est induite par le champ d’échange d’une couche mince ferromagnétique dans une structure multicouche. La précession du spin électronique a déjà été mesurée dans des matériaux ferromagnétiques mais uniquement pour des électrons qui possèdent une énergie supérieure à 4eV au-dessus du niveau de Fermi. L’objectif premier de cette thèse est de mesurer la précession du spin de l’électron pour des faibles énergies, comprises entre 0.7eV et 2eV au-dessus du niveau de Fermi. Pour ce faire, un transistor tunnel magnétique comportant trois couches magnétiques avec les aimantations qui pointent dans les trois directions de l’espace doit être construit. Les électrons sont injectés à basse énergie grâce à une jonction tunnel. Une diode Schottky (interface entre du Cu et du Si) filtre en énergie les électrons incidents, permettant uniquement aux électrons balistiques de contribuer au courant mesuré dans le semi-conducteur. Le premier travail a consisté à obtenir une couche magnétique exhibant une anisotropie perpendiculaire. Ainsi, nous avons réussi à faire croître une multicouche de Co et Ni sur une diode Schottky qui possède une anisotropie perpendiculaire jusqu’à 5 répétitions. Le deuxième travail réalisé dans cette thèse était d’optimiser le magnéto-courant d’une la vanne de spin. En effet, le magnéto-courant détermine la sensibilité de notre transistor tunnel magnétique. Nous avons notamment démontré ici que le magnéto-courant augmente avec le nombre de répétitions de la multicouche [Co/Ni], pour atteindre quasiment le maximum de 100% théoriquement prédit dans une vanne de spin à aimantations croisées. Enfin, le troisième travail de cette thèse résidait dans l’étude de la précession du spin de l’électron dans différents matériaux ferromagnétiques. Cet effet a été mis en évidence ici pour des couches à aimantation planaire composée de Co, de CoFeB, ainsi que pour un alliage de CoAl et ceci en fonction de leur épaisseur

In this PhD work we study the optical properties of anisotropic (Cd,Mn)Te magnetic quantum dots inserted in ZnTe nanowires. The quantum dots containing typically 10% of Mn spins are elongated along the nanowire axis which tend to stabilize a light hole ground state with a spin susceptibility perpendicular to the nanowire axis. The main goal was to study the formation of exciton Magnetic Polarons in such quantum dots and to determine their magnetic anisotropy.We investigate first the optical properties of ZnTe and ZnTe/(Zn,Mg)Te core shell nanowires. We model the elastic strain profile in core-shell nanowires and in elongated quantum dots. From the strain profiles, we estimate the value of the light hole heavy hole splitting expected in the dot and in the nanowire.In a second step we study single nanowires containing magnetic and non magnetic quantum dots by magneto-optical spectroscopy. The exchange interactions between confined carriers and Mn spins induce a large Zeeman shift of the exciton line (Giant Zeeman Effect). To extract quantitative parameters, we combine different experimental techniques (photo and cathodoluminescence, energy dispersive X ray spectroscopy) on the same nanowire. We use also different magnetic field orientations in order to determine the hole anisotropy in the dot. The experimental values are smaller than the theoretical ones suggesting a weak confinement of the holes in the dot due to a small (Cd,Mn)Te/ZnTe valence band offset.In a third step we study nanowires containing (Cd,Mn)Te quantum dots surrounded by a (Zn,Mg)Te alloy. Thanks to the better hole confinement induced by the (Zn,Mg)Te alloy, the formation of exciton magnetic polarons can be observed. We perform time resolved photoluminescence studies on single nanowires in order to determine the energy and the formation time of magnetic polarons from 5K to 50K. The quantum dot emission line shows an unusual Zeeman shift, characteristic of a light hole magnetic polaron. We develop a theoretical model describing the formation of exciton magnetic polaron in quantum dots. We use this model, based on the free energy and valid for any temperature and magnetic field, to fit the whole set of experimental data. It allows us to determine the characteristic parameters of the light hole magnetic polarons (energy, orientation and magnitude of the magnetic moment, exchange volume, hole anisotropy).; Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de boites quantiques anisotropes de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe. Les boites quantiques étudiées contenant 10% de Mn sont allongées suivant l’axe du fil ce qui tend à favoriser un état fondamental à trou léger ayant une susceptibilité de spin perpendiculaire à l’axe du fil. L’objectif principal de la thèse est l’étude de la formation du Polaron Magnétique dans ces boites et la détermination de leur anisotropie magnétique.Nous avons étudié en premier les propriétés optiques de nanofils de ZnTe et de nanofils coeurs-coquilles ZnTe/(Zn,Mg)Te. Ces études nous ont amené à modéliser les contraintes élastiques dans le cœur, dans la coquille et dans des boites allongées insérées dans les nanofils. Ce modèle nous a permis d’estimer les splittings entre les niveaux de trou lourd et de trou léger dans la boite et dans le fil.Nous avons étudié ensuite des nanofils contenant des boites magnétiques et non magnétiques par spectroscopie magnéto-optique. Dans les boites magnétiques, les interactions d’exchange entre les porteurs localisés et les spins de Mn induisent un très fort décalage Zeeman de la raie excitonique (Effet Zeeman Géant). Pour extraire des paramètres quantitatifs, nous avons combiné différentes techniques expérimentales sur le même nanofil (photo et cathodoluminescence, analyse dispersive en énergie du rayonnement X). Nous avons utilisé différentes orientations du champ magnétique pour déterminer l’anisotropie du trou dans la boite. Les valeurs expérimentales sont plus petites que les valeurs théoriques ce qui suggère un mauvais confinement du trou dans la boite.Afin d’obtenir un meilleur confinement du trou, nous avons étudié des boites de (Cd,Mn)Te entourées d’une coquille de (Zn,Mg)Te. Grace au meilleur confinement du trou, nous avons réussi à observer la formation du Polaron Magnétique excitonique. Des mesures de photoluminescence résolues en temps sur des nanofils uniques nous ont permis d’extraire l’énergie et le temps de formation du Polaron Magnétique entre 5K et 50K. La raie d’émission des boites présente un effet Zeeman géant inhabituel caractéristique d’un Polaron Magnétique à trou léger. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la formation du Polaron Magnétique excitonique dans les boites quantiques. Ce model, basé sur l’énergie libre et valable pour des températures et des champs magnétiques arbitraires, a été utilisé pour rendre compte de l’ensemble des données expérimentales. Ce modèle a permis de déterminer les paramètres caractéristiques du polaron magnétique à trou léger (énergie, orientation and amplitude du moment magnétique, volume d’échange, anisotropie du trou).

EMCD (Energy-Loss Magnetic Chiral Dichoism) is an emerging technique based on energy-loss spectroscopy (EELS) in a transmission electron microscopy (TEM). It aims at measuring the element-specific local magnetic moment of solids at a nanometer scale, and hence improving our understanding of magnetic local magnetic phenomena. This thesis presents the exploring work on developing the EMCD technique and its applications. We have applied EMCD to epitaxial MnAs thin films grown on a GaAs(001) substrate, extending the application of this technique to hexagonal structure with high magnetocrystalline anisotropy. The 3d orbital-to-spin moment ratio of Mn in hexagonal ferromagnetic MnAs along easy, hard and intermediate magnetic axes has been respectively estimated and then compared to DFT calculations. Moreover, a breaking of the ferromagnetic order in MnAs thin film, together with the crystallographic transition from hexagonal a-MnAs to quasi-hexagonal ß-MnAs, has been locally studied in-situ by modifying the temperature of the crystal inside the electron microscope. EMCD has also been settled to probe 4f moment in rare earth compounds, by investigating Dy-M4,5 edges in DyFe2/YFe2 superlattices. We have derived sum rules which are specified for 4f moment and applied them to the obtained dichroic signal over Dy-M4,5 edges. In addition, antiparallel coupling of Dy and Fe moments has been confirmed by comparing their dichroic signals, taking into account the dynamic diffraction effect. The work in this thesis illustrates for the first time the feasibility of EMCD technique for quantitative study of magnetocrystalline anisotropy and magnetic transition, and also proves its potential as a tool to investigate 4f moment as well as moment coupling in magnetic materials.; L'EMCD, Energy Loss Magnetic Chiral Dichroism, est une technique récente, mise en œuvre dans le microscope électronique à transmission (TEM), qui utilise la spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons (EELS). Elle a pour objectif la mesure du moment magnétique local d'un élément chimique donné. Son utilisation contribue à progresser dans la compréhension des phénomènes magnétiques à l'échelle nanométrique. Cette thèse propose d'élargir les domaines d'applications de l'EMCD. Nous avons exploité l'EMCD pour l'étude de films minces de MnAs épitaxiés sur un substrat de GaAs(001). Ce travail montre l'utilité de cette technique dans le cas de structures hexagonales présentant une anisotropie magnéto-cristalline élevée. Le rapport des moments orbital et de spin du Mn dans les films de MnAs ferromagnétique de structure hexagonale a été mesuré par EMCD et comparé à des calculs DFT, ceci le long des axes magnétiques facile, difficile et intermédiaire. Une rupture de l'ordre ferromagnétique a par ailleurs été observée et mesurée in situ dans le microscope grâce à un porte-objet chauffant, lors de la transition cristallographique de a-MnAs hexagonal à ß-MnAs quasi-hexagonal. La technique EMCD a également été mise en œuvre pour sonder le moment 4f de composés de terres rares à base de dysprosium. Il s'agissait d'étudier des super-réseaux DyFe2/YFe2. Les règles de somme ont été établies pour le seuil M4,5 du Dy. En outre, le couplage antiparallèle des moments Dy et Fe a été confirmé en comparant leurs signaux dichroïques et en prenant en compte la théorie dynamique de la diffraction. Ce travail de thèse illustre pour la première fois d'une part la faisabilité de la technique EMCD pour l'étude quantitative de l'anisotropie et des transitions magnétiques, et d'autre part son potentiel pour étudier les terres rares et leur moment 4f, ainsi que le couplage avec des éléments de transition.

In this PhD work we study the optical properties of anisotropic (Cd,Mn)Te magnetic quantum dots inserted in ZnTe nanowires. The quantum dots containing typically 10% of Mn spins are elongated along the nanowire axis which tend to stabilize a light hole ground state with a spin susceptibility perpendicular to the nanowire axis. The main goal was to study the formation of exciton Magnetic Polarons in such quantum dots and to determine their magnetic anisotropy.We investigate first the optical properties of ZnTe and ZnTe/(Zn,Mg)Te core shell nanowires. We model the elastic strain profile in core-shell nanowires and in elongated quantum dots. From the strain profiles, we estimate the value of the light hole heavy hole splitting expected in the dot and in the nanowire.In a second step we study single nanowires containing magnetic and non magnetic quantum dots by magneto-optical spectroscopy. The exchange interactions between confined carriers and Mn spins induce a large Zeeman shift of the exciton line (Giant Zeeman Effect). To extract quantitative parameters, we combine different experimental techniques (photo and cathodoluminescence, energy dispersive X ray spectroscopy) on the same nanowire. We use also different magnetic field orientations in order to determine the hole anisotropy in the dot. The experimental values are smaller than the theoretical ones suggesting a weak confinement of the holes in the dot due to a small (Cd,Mn)Te/ZnTe valence band offset.In a third step we study nanowires containing (Cd,Mn)Te quantum dots surrounded by a (Zn,Mg)Te alloy. Thanks to the better hole confinement induced by the (Zn,Mg)Te alloy, the formation of exciton magnetic polarons can be observed. We perform time resolved photoluminescence studies on single nanowires in order to determine the energy and the formation time of magnetic polarons from 5K to 50K. The quantum dot emission line shows an unusual Zeeman shift, characteristic of a light hole magnetic polaron. We develop a theoretical model describing the formation of exciton magnetic polaron in quantum dots. We use this model, based on the free energy and valid for any temperature and magnetic field, to fit the whole set of experimental data. It allows us to determine the characteristic parameters of the light hole magnetic polarons (energy, orientation and magnitude of the magnetic moment, exchange volume, hole anisotropy)., Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de boites quantiques anisotropes de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe. Les boites quantiques étudiées contenant 10% de Mn sont allongées suivant l’axe du fil ce qui tend à favoriser un état fondamental à trou léger ayant une susceptibilité de spin perpendiculaire à l’axe du fil. L’objectif principal de la thèse est l’étude de la formation du Polaron Magnétique dans ces boites et la détermination de leur anisotropie magnétique.Nous avons étudié en premier les propriétés optiques de nanofils de ZnTe et de nanofils coeurs-coquilles ZnTe/(Zn,Mg)Te. Ces études nous ont amené à modéliser les contraintes élastiques dans le cœur, dans la coquille et dans des boites allongées insérées dans les nanofils. Ce modèle nous a permis d’estimer les splittings entre les niveaux de trou lourd et de trou léger dans la boite et dans le fil.Nous avons étudié ensuite des nanofils contenant des boites magnétiques et non magnétiques par spectroscopie magnéto-optique. Dans les boites magnétiques, les interactions d’exchange entre les porteurs localisés et les spins de Mn induisent un très fort décalage Zeeman de la raie excitonique (Effet Zeeman Géant). Pour extraire des paramètres quantitatifs, nous avons combiné différentes techniques expérimentales sur le même nanofil (photo et cathodoluminescence, analyse dispersive en énergie du rayonnement X). Nous avons utilisé différentes orientations du champ magnétique pour déterminer l’anisotropie du trou dans la boite. Les valeurs expérimentales sont plus petites que les valeurs théoriques ce qui suggère un mauvais confinement du trou dans la boite.Afin d’obtenir un meilleur confinement du trou, nous avons étudié des boites de (Cd,Mn)Te entourées d’une coquille de (Zn,Mg)Te. Grace au meilleur confinement du trou, nous avons réussi à observer la formation du Polaron Magnétique excitonique. Des mesures de photoluminescence résolues en temps sur des nanofils uniques nous ont permis d’extraire l’énergie et le temps de formation du Polaron Magnétique entre 5K et 50K. La raie d’émission des boites présente un effet Zeeman géant inhabituel caractéristique d’un Polaron Magnétique à trou léger. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la formation du Polaron Magnétique excitonique dans les boites quantiques. Ce model, basé sur l’énergie libre et valable pour des températures et des champs magnétiques arbitraires, a été utilisé pour rendre compte de l’ensemble des données expérimentales. Ce modèle a permis de déterminer les paramètres caractéristiques du polaron magnétique à trou léger (énergie, orientation and amplitude du moment magnétique, volume d’échange, anisotropie du trou).

Due to their advantageous properties in terms of data retention, storage density and critical current density for Spin Transfer Torque (STT) switching, the magnetic tunnel junctions with perpendicular anisotropy have become predominant in the developments for MRAM applications. The aim of this thesis is to improve the anisotropy and transport properties of such structures and to realize even more complex stacks such as perpendicular double junctions. Studies on the magnetic properties and Tunnel MagnetoResistance (TMR) measurements showed that to optimize the performances of the junctions, all the thicknesses of the different layers constituting the stack have to be adapted. To guaranty both a large TMR as well a strong perpendicular anisotropy, compromises are most of the time needed. Studies as a function of magnetic thickness enabled to extract the saturation magnetization, the critical thickness and the magnetic dead layer thickness both in the bottom reference and the top storage layer in structures capped with Ta. This type of junction could be tested electrically after patterning the sample into nanopillars. Knowing that perpendicular anisotropy mostly arises at the metal/oxide interface, the Ta capping layer was replaced by a MgO one, leading to a huge increase in the anisotropy of the free layer. A second top reference was then added on such a stack to create functional perpendicular double junctions. CoFeB/insertion/CoFeB synthetic antiferromagnetic storage layers could be developed and were proved to be stable enough to replace the standard Co/Pt-based reference layers., Du fait de leurs propriétés avantageuses en termes de rétention des données, densité de stockage et faible courant critique pour l'écriture par courant polarisé en spin (STT), les jonctions tunnel magnétiques à anisotropie perpendiculaire sont devenues prédominantes dans les études sur les applications aux mémoires magnétiques MRAM. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte avec pour but l'amélioration des propriétés de transport et d'anisotropie de telles structures ainsi que la réalisation d'empilements encore plus complexes tels que des doubles jonctions perpendiculaires. Grâce à l'étude des propriétés magnétiques et des mesures de MagnétoRésistance Tunnel (TMR), il apparaît que pour optimiser les performances des jonctions tunnel, l'ensemble des épaisseurs des couches composant l'empilement doit être adapté. Des compromis sont souvent nécessaires pour obtenir à la fois une forte anisotropie perpendiculaire et des signaux de TMR élevés. Des études en fonction des épaisseurs magnétiques ont permis de déterminer les aimantations à saturation, épaisseurs critiques et couches mortes dans les couches de référence et de stockage de jonctions standard avec électrode libre supérieure et couverture Ta. Ce type de jonction a pu être nano-fabriqué sous forme de piliers circulaires afin de tester l'écriture par STT. Sachant que l'anisotropie perpendiculaire provient essentiellement de l'interface métal/oxyde, la couverture Ta a été ensuite remplacée par une deuxième couche de MgO, permettant d'améliorer significativement l'anisotropie de la couche libre. En introduisant une seconde référence au-dessus de cette jonction, des doubles jonctions perpendiculaires fonctionnelles ont pu être fabriquées. Des couches de stockage antiferromagnétiques synthétiques de la forme CoFeB/insert/CoFeB ont pu être développées et apparaissent suffisamment stables pour pouvoir remplacer les traditionnelles références à base de multicouches Co/Pt.

In the context of spintronics this thesis studies the mutual interaction between a spin polarised current and the magnetization of magnetic structures. During this work, the diffusive spin transport equations were coupled in a self-consistent manner with the magnetization dynamics equations in the micromagnetic approach in our homemade finite element code. This numerical tool applied to the study of domain walls dynamics in different geometries under the action of spin polarized current highlighted several new phenomena related to the mutual interaction between the magnetization and the spins of electrons. For rectangular cross section stripes, the impact of this interaction, usually neglected in simplified models, is quantified by the computation of the domain wall velocity and the Walker critical current. These quantities were studied as a function of the domain wall width, the applied current, and the spin polarised transport characteristic lengths. Increasing the non-adiabatic parameter of the system related to the increase in the magnetization gradient and a strong non-locality of the coupled model was demonstrated. For circular cross section wires with a modulated diameter, an additional contribution to the non-adiabaticity of the system related to the confined geometry is highlighted. Then the different dynamic regimes and domain wall unpinning conditions are characterised according to the constriction size., Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin et traite plus particulièrement de l'interaction réciproque entre un courant polarisé en spin et l'aimantation des structures magnétiques. Au cours de ce travail, les équations du transport diffusif dépendant du spin ont été couplées de façon auto-cohérente à l'équation de la dynamique d'aimantation dans l'approche micromagnétique au sein du code éléments finis. Cet outil numérique est appliqué à l'étude de la dynamique de parois de domaines dans différentes géométries sous l'action d'un courant polarisé. Il a permis de mettre en évidence plusieurs nouveaux phénomènes liés à l'interaction mutuelle entre l'aimantation et les spins des électrons. Pour des rubans à section rectangulaire, l'impact de cette interaction, habituellement négligée dans les modèles simplifiés, est quantifié via le calcul de la vitesse de déplacement de parois et du courant critique de Walker. Ces paramètres ont été étudiés en fonction de la largeur de paroi, du courant appliqué et des longueurs caractéristiques du transport polarisé en spin. L'augmentation du paramètre de non-adiabaticité du système, liée à l'augmentation du gradient d'aimantation ainsi qu'à une forte non-localité du modèle couplé, a été démontrée. Pour des fils à section circulaire et à diamètre modulable, une contribution supplémentaire à la non-adiabaticité du système liée, à la géométrie confinée, a été mise en évidence. Puis, les différents régimes dynamiques ainsi que les conditions de dépiégage de la paroi ont été caractérisés en fonction de la taille de constrictions.

Understanding brain activity requires simultaneous recordings across spatial scales, from single-cell to brain-wide network. Measurements provide insights about the relationship between structures, functions and dynamics in neuronal circuits and assemblies. Electrophysiological techniques carry crucial information about the electrical activity within neurons. Locally probing the magnetic signature of this activity gives direct information about neuronal currents and the vectorial nature of magnetic measurements provides the directionality of neuronal ionic flux without disturbing it. Noticeably, the magnetic signature induced by the neuronal currents is accessible through Magneto EncephaloGraphy (MEG), which provides neuromagnetic field mapping outside the head using Superconducting QUantum Interference Devices (SQUIDs). However, local measurements of neuronal currents at cellular scale requires small and very sensitive devices. The purpose of the present thesis work is to develop a novel tool for neurophysiology, the magnetic equivalent of electrodes, named “magnetrodes”, are able to detect the local neuronal currents through magnetic detection. Recent advances in spin electronics have given rise to Giant MagnetoResistance (GMR) based sensors, which offer the possibility to be miniaturized and sensitive enough to detect very weak magnetic fields like those emitted by neurons at local scale (in the picotesla to nanotesla range). Two kinds of GMR based sensors have been developed throughout this work, one of these are planar probes dedicated to surface measurements (hippocampus slice, muscle or cortex), the other kind are sharp probes, designed in a needle-shape to easily penetrate the tissues and locally record the neuromagnetic fields. Three experiments have been performed, either in vitro and in vivo. In the first experiment, an Action Potential has been detected magnetically in vitro by means of planar GMR sensors, resulting from axial currents within a mouse muscle. The second in vitro experiment analyzed the hippocampal mouse brain slices, where both planar and sharp probes were tested giving some preliminary results. Lastly we performed the first magnetic recordings in vivo on cat's cerebral cortex, displaying stimulus-induced cortical responses of 10-20 nT pp . These results pave the way for local magnetophysiology, a novel approach of brain exploration and interfacing.; L'étude de l'activité cérébrale nécessite des enregistrements simultanés à différentes échelles spatiales, d'une cellule unique aux aires corticales du cerveau. Ces mesures fournissent un aperçu sur la relation entre les structures, les fonctions et la dynamique des circuits neuronaux. Les techniques d'électrophysiologie apportent des informations cruciales sur l'activité électrique dans les neurones. Sonder localement la signature magnétique de cette activité donne des informations directes sur les courants neuronaux et la nature vectorielle d'une mesure magnétique renseigne sur la directionnalité du flux ionique neuronal sans le perturber. Le champ magnétique induit par les courants neuronaux est accessible par la magnetoencéphalographie (MEG), qui fournit la cartographie des champs neuromagnétiques à la surface du cerveau à l'aide des Superconducting Quantum Interference Devices (SQUIDs). Cependant, les mesures locales de courants neuronaux à l'échelle cellulaire nécessite des dispositifs miniaturisés et très sensibles. L'objectif de ce travail de thèse est de développer un nouvel outil pour la neurophysiologie, l'équivalent magnétique d'électrodes, nommé "magnetrodes", capable de détecter les courants neuronaux locaux par la détection magnétique. Les progrès récents de l'électronique de spin ont permis de donner naissance aux capteurs à magnétorésistance géante (GMR), qui offrent la possibilité d'être miniaturisé et suffisamment sensibles pour détecter des champs magnétiques très faibles, comme ceux émis par les neurones à l'échelle locale (de l'ordre du picotesla au nanotesla). Deux types de capteurs GMRs ont été développés au cours de ce travail, des sondes planes dédiées aux enregistrements en surface des tissues (tranche d'hippocampe, muscle ou cortex), les autres sont des sondes pointus, conçus pour pénétrer facilement les tissus et enregistrer localement les champs neuromagnétiques. Trois expériences ont été réalisées dont deux in vitro et une in vivo. Le premier potentiel d'action magnétique a été détecté in vitro à l'aide de sondes GMRs planes, résultant des courants axiaux dans un muscle de la souris. Le deuxième modèle analysé in vitro est la tranche d'hippocampe de cerveau de souris où les deux types de sondes ont été testés, montrant certains résultats préliminaires. Enfin, nous avons effectué les premiers enregistrements magnétiques in vivo sur le cortex visuel du chat, affichant des réponses corticales induites de l'ordre de 10-20 nTpp. Ces résultats ouvrent la voie à magnetophysiologie locale qui est une nouvelle approche d'exploration et d'interfaçage cerveau.

The possibilities of modifying magnetization without applied magnetic fields have attracted growing attention over the past fifteen years. The low-power manipulation of magnetization, preferably at ultrashort timescales, has become a fundamental challenge with implications for future magnetic information memory and storage technologies. In particular the interplay of laser and magnetism recently discovered by Stanciu et al. opens up new way for light to be used as an excitation and a probe of magnetic materials. A description of the current models and frameworks developed in the field requires a careful look at the different parameters involved through the interaction of ultrafast lasers and magnetic materials. The specific and complex interplay between heat and angular momentum transfer is highlighted in order to discuss the role of each of them in the phenomena observed. The timescales of the different interactions responsible for the final state of magnetization are presented and will impact the way the system recovery after a laser excitation. Besides we were interested in exploring the relation between the material parameters such as anisotropy, ordering temperature and exchange coupling on the final state of magnetization obtained with a laser. Indeed thanks to the many different magnetism classes existing the magnetic parameters can be tuned widely and in a controlled manner. Our imaging setup then is able to probe the optical characteristics and domain stability after the laser excitation. We finally demonstrated that all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) can be observed not only in selected rare earth-transition metal (RE-TM) alloy films but also in a much broader variety of materials, including RE-TM alloys, multilayers and heterostructures. We further show that RE-free Co-Ir-based synthetic ferrimagnetic heterostructures designed to mimic the magnetic properties of RE-TM alloys also exhibit AO-HDS. We further developed the optical control of ferromagnetic materials ranging from magnetic thin films to multilayers and even granular films being explored for ultra-high-density magnetic recording. Our finding shows that optical control of magnetic materials is a much more general phenomenon than previously assumed and may have a major impact on data memory and storage industries through the integration of optical control of ferromagnetic bits; Depuis une quinzaine d’années, de nombreuses solutions différentes ont été proposés afin de modifier l’aimantations de matériaux sans aucun champ magnétique extérieur appliqué. La manipulation d’aimantation à moindre coût énergétique, de préférence à des échelles de temps ultracourtes, est devenu un enjeu fondamental avec des implications pour les technologies d’enregistrement magnétique et de nouvelles sortes de stockage. Sur ce chemin, le type d’interaction découverte par Stanciu et al. ouvre la voie à l’utilisation de la lumière comme moyen d’exciter et de sonder directement les matériaux magnétiques. La description des théories et modèles existants dans ce domaine permet de nous rendre attentif sur les différents paramètres impliqués par l’interaction des lasers ultrarapides et matériaux magnétiques. L’entrelacement spécifique des impulsions de chaleur et de moment angulaire propre aux lasers ultrarapides est mise en avant afin de discuter de leur rôle dans les phénomènes observés. Le délai des interactions responsables de l’état final de l’aimantation est abordé et notamment la manière dont celle-ci ont un impact sur la façon dont le système se stabilise après une excitation laser. En outre, nous nous sommes intéressés à la relation entre les paramètres matériels et l’état final de l’aimantation obtenue avec un laser ultrarapide. Grâce aux nombreuses classes de matériaux magnétiques existantes les paramètres magnétiques peuvent être ajustés dans une grande gamme de valeurs et de manière entièrement contrôlés. Notre installation d’imagerie magnétique est alors capable de sonder les caractéristiques optiques et la stabilité des domaines après l’excitation. Nous avons finalement démontré que le retournement optique dépendent de l’hélicité peut être observée non seulement dans un grand nombre de couches minces d’alliages de terre rare-métaux de transition (RE-TM) mais aussi dans une variété beaucoup plus large de matériaux, y compris les multicouches et hétérostructures de RE-TM. Nous montrons en outre que les hétérostructures ferrimagnétiques dépourvues de terres rares présentent également un retournement optique. Nous avons en plus développé le contrôle optique de multicouches ferromagnétiques dont des films granulaires actuellement explorés pour l’enregistrement magnétique ultra-haute densité de demain. Notre découverte montre que la manipulation de l’aimantation dans des matériaux magnétiques est un phénomène beaucoup plus général que précédemment suspecté et peut avoir un impact majeur sur l’enregistrement magnétique et le stockage de l’information grâce à l’intégration nouvelle de ce type de contrôle optique dans des bits ferromagnétiques

In this thesis, we study the electronic charge transport properties in different high mobility organic semiconductors considered as possible candidates for applications in Organic Spintronics. Stringent conditions are needed to make possible the diffusive transport of a spin-polarized current through an organic spacer (injection-transport-detection): the mechanism of charge transport and the carriers mobility, as well as the interface between the organic semiconductor and the ferromagnetic metallic electrodes, should meet special criteria. Our devices are in lateral geometry. We investigate three organic materials, all compatible with wet processing of organic electronics: supramolecular fibers self-assembled by light irradiation, an ink of liquid-phase exfoliated graphene nano-sheets and a conjugated polymer semiconductor thin film exposed to strong electrochemical doping. We observe that the criteria are partially matched, but some challenges are still present.; Cette thèse est porté sur l'étude du transport électronique dans différents matériaux organiques semi-conducteurs, considérés comme candidats potentiels pour des applications en Electronique de Spin Organique. Pour rendre possible la diffusion d'un courant polarisée en spin à l'intérieur d'un semi-conducteur (injection-transport-détection), le mécanisme de transport et la mobilité des porteurs de charge, ainsi que la nature et la valeur de la résistance de contact de l'interface séparant matériau organique et électrodes métalliques ferromagnétiques, doivent répondre à des critères très stricts. Tous les dispositifs sont en géométrie latérale. Nous étudions trois matériaux organiques différents: des fibres supramoléculaires auto-assemblées, une encre de nana-flocons de graphene exfolié en phase liquide et un polymère semi-conducteur fortement dopé en forme de couche mince. Nos résultats montrent que les conditions sont partiellement respectées, mais que des défis demeurent.

In order to reduce power consumption in next generations’ electronic devices, one potentialsolution is to implement non-volatility in memory cells. In this goal, the magnetizationswitching of a ferromagnetic material has been used in a memory concept: the MRAM. Thelatest development of this technology, called SOT-RAM, is based on new phenomena calledSOTs (Spin-Orbit Torques) in order to control magnetization direction. Contrary to precedentgenerations (STT-MRAM), it should achieve a higher operating speed and an enduranceadapted for cache and main memories applications. SOTs is a generic term referring to all theeffects, linked to the spin-orbit interaction, and that enable magnetization reversal. They areyet not perfectly understood.The main objective of this Ph.D. was then to study these SOTs through a quasi-staticexperimental measurement setup based on anomalous and planar Hall effects. Itsimplementation and the associated analysis method, as well as the required theoreticalconsiderations for data interpretation are detailed in this manuscript. It has been highlightedthat magnetization switching in perpendicularly magnetization cobalt-platinum systemscannot be explained by the simple models considered thus far in the literature. As a matter offact it has been evidenced that at least two effects have to be considered in order to explainobserved phenomena. In addition, they present different susceptibility both to a modificationof the crystal structure and to a temperature change., Afin de réduire la consommation de puissance des futures générations de systèmesélectroniques, une solution est d’intégrer de la non-volatilité au sein même des cellulesmémoires. Dans cette optique, l’utilisation du retournement de l’aimantation d’un matériauferromagnétique comme support de l’information a été utilisée initialement dans un conceptde mémoire, la MRAM. La dernière évolution de cette technologie, la SOT-RAM, utilise desphénomènes nouveaux appelés SOTs afin de contrôler la direction de l’aimantation. Parrapport aux générations précédentes (STT-MRAM notamment), elle devrait permettred’améliorer la vitesse d’écriture en conservant une endurance adaptée pour des utilisations enmémoires cache où en mémoire centrale. Le terme SOTs est une dénomination généraledésignant l’ensemble des effets, encore mal connus, liés au couplage spin-orbite et permettantle retournement de l’aimantation d’une cellule mémoire.Ce travail de thèse a eu pour objectif d’étudier les SOTs via un système expérimental demesure quasi-statique basé sur les effets Hall extraordinaires et planaires. Sonimplémentation et la méthode d’analyse associée, ainsi que les considérations théoriquesnécessaires à l’interprétation des résultats sont détaillées dans ce manuscrit. Il a été montréque le retournement de l’aimantation dans des systèmes à aimantation perpendiculaire à basede cobalt-platine ne peut être expliqué par les modèles simples considérés jusqu’à présentdans la littérature. En effet, il a été mis en évidence qu’au moins deux effets simultanés doiventêtre pris en compte pour expliquer les phénomènes observés. Par ailleurs, ceux-ci présententune sensibilité différente à la fois à une altération de la structure cristalline et à une variationde température.

The general context of this work is the development and integration of new magnetic materials with original properties of potential interest for spintronic applications. In this field, the Sm1-xGdxAl2 (SGA) compound drives a particular attention, as a zero-magnetization ferromagnet that can exhibit a spin polarization in its magnetic compensated state. In a first step, synchrotron-based angle and spin resolved photoemission spectroscopy experiments have permitted to perform an accurate analysis of the electronic structure along various directions of the Brillouin Zone and to get a direct estimation of the spin polarization at the Fermi level. In a second step, a special attention has been the paid to [Co/Pt] multilayers and to [Co/Pt]-based MTJs. The [Co/Pt] multilayers would constitute the second electrode in SGA-based MTJs. Their magnetic properties (especially the perpendicular anisotropy and the saturation magnetization) have been carefully investigated as a function of Pt thickness and nature of the buffer layer (Pt, MgO or Al2O3), and in close connection with structural characteristics. Their integration in [Co/Pt]-based MTJs has permitted to determine the [Co/Pt] effective tunnel polarization and to unravel the magnetic configurations of both electrodes which are perfectly explained and reproduced by micromagnetic simulations. In a third step, the results concerning the magneto-transport experiments in SGA/MgO/[Co/Pt] MTJs are presented and discussed; Le contexte général de ce travail est le développement et l'intégration de nouveaux matériaux magnétiques ayant des propriétés originales et d'intérêt potentiel pour la spintronique. En tant que matériau ferromagnétique d’aimantation nulle, le composé Sm1-xGdxAl2 (SGA) suscite un intérêt particulier, puisqu’il est capable, dans son état magnétique compensé, de polariser en spin un courant d’électrons. Dans un premier temps, des expériences de photoémission résolues en angle et en spin sur synchrotron ont permis d’effectuer une analyse précise de la structure électronique selon diverses directions de la zone de Brillouin et d’estimer de manière directe la polarisation de spin au niveau de Fermi du composé SGA. Dans un second temps, une attention particulière a été portée aux multicouches [Co/Pt] et aux JTMs à base de [Co/Pt]. Les multicouches [Co/Pt] constituent la seconde électrode des JTMs à base de SGA. Leurs propriétés magnétiques (en particulier l'anisotropie perpendiculaire et l'aimantation à saturation) ont été soigneusement étudiées en fonction de l'épaisseur de Pt et de la nature de la couche tampon (Pt, MgO ou Al2O3), et en liaison avec leurs caractéristiques structurales. Leur intégration dans des JTMs à base de [Co/Pt] a permis ensuite de remonter d’une part à la polarisation tunnel effective des multicouches [Co/Pt] et d’autre part aux configurations magnétiques des différentes électrodes, configurations parfaitement expliquées et reproduites par des simulations micro-magnétiques. Dans un troisième temps, les résultats de magnéto-transport au sein des JTMs SGA/MgO/[Co/Pt] sont présentés et discutés

The general context of this work is the development and integration of new magnetic materials with original properties of potential interest for spintronic applications. In this field, the Sm1-xGdxAl2 (SGA) compound drives a particular attention, as a zero-magnetization ferromagnet that can exhibit a spin polarization in its magnetic compensated state. In a first step, synchrotron-based angle and spin resolved photoemission spectroscopy experiments have permitted to perform an accurate analysis of the electronic structure along various directions of the Brillouin Zone and to get a direct estimation of the spin polarization at the Fermi level. In a second step, a special attention has been the paid to [Co/Pt] multilayers and to [Co/Pt]-based MTJs. The [Co/Pt] multilayers would constitute the second electrode in SGA-based MTJs. Their magnetic properties (especially the perpendicular anisotropy and the saturation magnetization) have been carefully investigated as a function of Pt thickness and nature of the buffer layer (Pt, MgO or Al2O3), and in close connection with structural characteristics. Their integration in [Co/Pt]-based MTJs has permitted to determine the [Co/Pt] effective tunnel polarization and to unravel the magnetic configurations of both electrodes which are perfectly explained and reproduced by micromagnetic simulations. In a third step, the results concerning the magneto-transport experiments in SGA/MgO/[Co/Pt] MTJs are presented and discussed, Le contexte général de ce travail est le développement et l'intégration de nouveaux matériaux magnétiques ayant des propriétés originales et d'intérêt potentiel pour la spintronique. En tant que matériau ferromagnétique d’aimantation nulle, le composé Sm1-xGdxAl2 (SGA) suscite un intérêt particulier, puisqu’il est capable, dans son état magnétique compensé, de polariser en spin un courant d’électrons. Dans un premier temps, des expériences de photoémission résolues en angle et en spin sur synchrotron ont permis d’effectuer une analyse précise de la structure électronique selon diverses directions de la zone de Brillouin et d’estimer de manière directe la polarisation de spin au niveau de Fermi du composé SGA. Dans un second temps, une attention particulière a été portée aux multicouches [Co/Pt] et aux JTMs à base de [Co/Pt]. Les multicouches [Co/Pt] constituent la seconde électrode des JTMs à base de SGA. Leurs propriétés magnétiques (en particulier l'anisotropie perpendiculaire et l'aimantation à saturation) ont été soigneusement étudiées en fonction de l'épaisseur de Pt et de la nature de la couche tampon (Pt, MgO ou Al2O3), et en liaison avec leurs caractéristiques structurales. Leur intégration dans des JTMs à base de [Co/Pt] a permis ensuite de remonter d’une part à la polarisation tunnel effective des multicouches [Co/Pt] et d’autre part aux configurations magnétiques des différentes électrodes, configurations parfaitement expliquées et reproduites par des simulations micro-magnétiques. Dans un troisième temps, les résultats de magnéto-transport au sein des JTMs SGA/MgO/[Co/Pt] sont présentés et discutés

Spin transfer nano-Oscillators (STNOs) are nanoscale devices capable of generating high frequency microwave signals through spin momentum transfer. Although they offer decisive advantages compared to existing technology (spectral agility, integrability, etc.), their emitted power and spectral purity are quite poor. In view of their applications, a promising strategy to improve the coherence and increase the emitted microwave power of these devices is to mutually synchronize several of them. A first step is to understand the synchronization of a single STNO to an external source. For this, we have studied a circular nanopillar of diameter 200~nm patterned from a Cu60|Py15|Cu10|Py4|Au25 stack, where thicknesses are in nm. In the saturated state (bias magnetic field > 0.8 T), we have identified the auto-Oscillating mode and its coupling to an external source by using a magnetic resonance force microscope (MRFM). Only the uniform microwave field applied perpendicularly to the bias field is efficient to synchronize the STNO because it shares the spatial symmetry of the auto-Oscillation mode, in contrast to the microwave current passing through the device. The same sample was then studied under low perpendicular magnetic field, with the two magnetic layers in the vortex state. In this case, it is possible to excite a highly coherent mode (F/∆F>15000) with a linewidth below 100 kHz. By analyzing the harmonic content of the spectrum, we have determined that the non-Linear amplitude-Phase coupling of the excited mode is almost vanishing, which explains the high spectral purity observed. Moreover, the oscillation frequency can still be widely tuned thanks to the Oersted field created by the dc current. We have also shown that the synchronization of this mode to a microwave field source is very robust, the generation linewidth decreasing by more than five orders of magnitude compared to the autonomous regime. From these findings we conclude that the magneto-Dipolar interaction is promising to achieve mutual coupling of vortex based STNOs, the dipolar field from a neighboring oscillator playing the role of the microwave source. We have thus experimentally measured a system composed of two STNOs laterally separated by 100 nm. By varying the different configurations of vortex polarities, we have observed the mutual synchronization of these two oscillators., Les nano-Oscillateurs à transfert de spin (STNOs) sont des dispositifs capables d'émettre une onde hyperfréquence lorsqu'ils sont pompés par un courant polarisé grâce au couple de transfert de spin. Bien qu'ils offrent de nombreux avantages (agilité spectrale, intégrabilité, etc.) pour les applications, leur puissance d'émission et leur pureté spectrale sont en général faibles. Une stratégie pour améliorer ces propriétés est de synchroniser plusieurs oscillateurs entre eux. Une première étape est de comprendre la synchronisation d'un STNO unique à une source externe. Pour cela, nous avons étudié une vanne de spin Cu60|NiFe15|Cu10|NiFe4| Au25 (épaisseurs en nm) de section circulaire de 200 nm. Dans l'état saturé perpendiculaire (champ appliqué > 0.8 T), nous avons déterminé la nature du mode qui auto-Oscille et son couplage à une source externe grâce à un microscope de force par résonance magnétique (MRFM). Seul un champ micro-Onde uniforme permet de synchroniser le mode oscillant de la couche fine car il possède la bonne symétrie spatiale, au contraire du courant micro-Onde traversant l'échantillon. Ce même échantillon a ensuite été étudié sous faible champ perpendiculaire, les deux couches magnétiques étant alors dans l'état vortex. Dans ce cas, il est possible d'exciter un mode de grande cohérence (F/ ∆F >15000) avec une largeur de raie inférieure à 100 kHz. En analysant le contenu harmonique du spectre, nous avons déterminé que le couplage non-Linéaire amplitude-Phase du mode excité est quasi nul, ce qui explique la grande pureté spectrale observée, et qu'en parallèle, la fréquence d'oscillation reste ajustable sur une grande gamme grâce au champ d'Oersted créé par le courant injecté. De plus, la synchronisation de ce mode à une source de champ micro-Onde est très robuste, la largeur de raie mesurée diminuant de plus de cinq ordres de grandeur par rapport au régime autonome. Nous concluons de cette étude que le couplage magnéto-Dipolaire entre STNOs à base de vortex est très prometteur pour obtenir une synchronisation mutuelle, le champ dipolaire rayonné par un STNO sur ses voisins jouant alors le rôle de la source micro-Onde. Nous sommes donc passés à l'étape suivante, à savoir la mesure expérimentale de deux STNOs similaires séparés latéralement de 100 nm. En jouant sur les différentes configurations de polarités des vortex, nous avons réussi à observer la synchronisation mutuelle de ces deux oscillateurs.

A non-Abelian gauge formulation for the Rashba and Dresselhaus hamiltonians, relevant in spintronics of non-centrosymmetric materials, is studied. The gauge fields defined are proportional to the SU(2) generators and also to potential gradients of extrinsic and intrinsic origin which results in a U(1) × SU(2) formulation. We derived from the corresponding lagrangian the equations of motion and conserved spin currents. It is shown that the mandatory presence of a Proca mass type term fixes the gauge and solves in consequence the gauge dependence of the spin current and therefore the ambiguities of the spin current reported in the literature. The invariant gauge subgroup of this theory will be studied. We will analyze some topological consequences of the gauge formulation of Rashba and Dresselhaus focusing on interferometers models and quantization conditions similar to the integer quantum Hall effect. A Spin filtering device, through quantum spin interference, is addressed in a quasi-2 dimensional GaAs/AlGaAs electron gas that has both Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings and an applied external magnetic field. We propose an experimentally feasible electronic Mach Zehnder Interferometer that determines perfect spin filtering conditions. We find two spin filtering regimes, one where filtering is achieved in the original incoming quantization basis, that takes advantage of the purely non-Abelian nature of spin rotations, and the other, where one needs a tilted preferential axis to observe the polarized output spinor. We also address the electronic states of a mesoscopic ring in the presence of Rashba Spin Orbit coupling and a U(1) gauge field. Spin symmetric coupling to an ideal lead is implemented following Büttiker’s voltage probe. The spin and charge persistent currents are computed in the presence of the SO interaction and the reservoir coupling for two distinct scenarios of the electron filling fraction. The degradation of the persistent currents depends uniformly on the reservoir coupling but due to the fact that currents emerge from different depths of the fermi sea, they depend non uniformly in temperature, “shielding” the currents with a protective gap. Finally the problem of persistent charge and spin currents is addressed on a Corbino disk built from a graphene sheet. We consistently derive the Hamiltonian including kinetic, intrinsic (ISO) and Rashba spin-orbit interactions in cylindrical coordinates. The Hamiltonian is carefully considered to reflect hermiticity and covariance. We use the linear response definition in order to determine the charge persistent currents. We also determine the spin and pseudo spin polarizations associated with such equilibrium currents. For the intrinsic case one can also compute the correct currents by properly defining the bare velocity operator associated with ISO problem or alternatively the ISO group velocity operator associated with the free case. Charge currents for both SO couplings reach maximal values in the vicinity of half integer flux quanta. Such maximal currents are protected from thermal effects because contributing levels plunge (~1K) into the Fermi sea at half integer flux values. Such a mechanism, makes them observable at readily accessible temperatures. Spin currents only arise for the Rashba coupling, due to the spin symmetry of the ISO spectrum. For the Rashba coupling, spin currents are canceled at half integer fluxes but they remain finite in the vicinity, and the same scenario above protects spin currents; Se estudia una formulación de calibre no abeliana de los hamiltonianos Rashba y Dresselhaus, relevantes en espintrónica de materiales no centrosim étricos. Los campos de calibre definidos son proporcionales a los generadores SU(2) y también a los gradientes de potencial de origen extrínseco e intrínseco que se traducen en una formulación U(1) × SU(2). Derivamos del Lagrangiano correspondiente las ecuaciones del movimiento y las corrientes de espín conservadas. Se demuestra que la presencia obligatoria de un término de masa tipo Proca fija el calibre y resuelve en consecuencia la dependencia de calibre en la corriente de esp´n y, por lo tanto, las ambig¨uedades asociadas a la definición de la corriente de espín reportadas en la literatura. Se estudia el subgrupo invariante de esta teoría. Analizamos algunas de las consecuencias topológicas de la formulación de calibre de Rashba y Dresselhaus centrándonos en modelos de interferómetros y condiciones de cuantización similares al efecto Hall cuántico entero. Se propone un dispositivo de filtrado de espín basado en interferencia cuántica de espín, en un gas de electrones cuasi-bidimiensional GaAs/AlGaAs que posee acoplamientos spin-órbita tanto Rashba como Dresselhaus y un campo magnético externo aplicado. Proponemos un interferómetro electrónico tipo Mach-Zehnder experimentalmente factible que determina perfectamente las condiciones de filtrado de espín. Nos encontramos con dos regímenes, un primer régimen donde se logra el filtrar en la base original de cuantización, que toma ventaja de la naturaleza puramente no abeliana de las rotaciones de esín, y el otro, donde se necesita un eje preferencial inclinado (tilted) para observar el espinor polarizado de salida. Estudiamos los estados electrónicos de un anillo mesoscópico en presencia de acoplamiento espín orbita tipo Rashba y un campo de calibre U(1). El acoplamiento simétrico en espín a un cable ideal se implementa siguiendo el procedimiento de punta de prueba de B¨uttiker. La corrientes persistentes de carga y de espín se calculan en presencia de la interacción SO acopladas con un reservorio, tomando en cuenta dos escenarios distintos para de la fracción de electrones de llenado. La degradación de las corrientes persistentes depende de manera uniforme del acoplamiento con el reservorio debido al hecho de que las corrientes emergen de diferentes profundidades del mar de Fermi, y por lo tanto para algunos regímenes particulares de flujo magnético dependen de manera no uniforme de la temperatura, produciendo un “ blindaje” de las corrientes frente a la temperatura mediante una brecha de energía protectora. Se aborda el problema de las corrientes persistentes de carga y espín en un disco Corbino, construido a partir de una hoja de grafeno. Consistentemente derivamos el Hamiltoniano incluyendo su parte cinética, interacciones espín - órbita intrínseca (ISO) y Rashba en coordenadas cilíndricas. El Hamiltoniano es construido cuidadosamente para reflejar la hermeticidad y covariancia. Utilizamos teoría de respuesta lineal con el fin de determinar las corrientes persistentes de carga. También determinamos las polarizaciones de espín y de pseudoespín asociados con estas corrientes de equilibrio. Para el caso intrínseco también se pueden calcular las corrientes definiendo correctamente el operador velocidad (bare) y calculando con las funciones de onda ISO o alternativamente, el operador de velocidad de grupo ISO para las funciones de onda libres. Las corrientes de carga para ambos acoplamientos SO alcanzan valores máximos en las proximidades de semi-enteros de cuantos de flujo. Tales corrientes máximas están protegidos de los efectos térmicos ya que los niveles que contribuyen se hunden (~ 1K) en el mar de Fermi para valores semi-enteros de flujo. Este mecanismo los hace observable a temperaturas de fácil acceso. Las corrientes de espín sólo surgen en presencia de acoplamiento Rashba, debido a la simetría de espín del espectro ISO. Para el acoplamiento Rashba, las corrientes de espín se cancelan en flujos semi-enteros pero se mantienen finitas en su vecindad. El mismo escenario anterior protege las corrientes de espín; Une formulation de jauge non-abélienne pour les hamiltoniens Rashba et Dresselhaus, relevants dans l’électronique de spin des matériaux non centrosymétriques est développée. Les champs de jauge définis sont proportionnels aux générateurs SU(2) et aux gradients des potentiels extrinsèque et intrinsèque d’origine, ce qui se traduit par une structure U(1) × SU(2). Nous avons déduit du lagrangien correspondant les équations du mouvement et les courants de spin conservés. On montre que la présence obligatoire d’un terme de masse de type Proca fixe la jauge et résout en conséquence la dépendance de la jauge dans le courant de spin et donc les ambiguïtés du courant de spin rapportées dans la littérature. Nous avons analysé certaines conséquences topologiques, mettant l’accent sur les modéles d’interféromètres et l’apparition de conditions de quantification semblables à celles de l’effet Hall quantique entier. Un dispositif de filtrage de spin par interférences est proposé dans un gaz d’électrons quasi-bidimensionnels GaAs/AlGaAs qui possède à la fois les couplages Rashba et Dresselhaus et un champ magnétique externe appliqué. Nous proposons un interféromètre de Mach Zehnder, accessible en électronique expérimentale et nous déterminons les conditions de filtrage de spin parfait. Nous trouvons deux régimes de filtrage de spin, celui où le filtrage est réalisé dans la base de quantification du faisceau entrant, qui tire parti de la nature purement non-abélien de rotations de spin, et l’autre, où l’on a besoin d’un axe préférentiel incliné pour observer le spineur de sortie polarisé. Nous étudions les états électroniques d’un anneau mésoscopique en présence de couplage spin-orbite Rashba et d’un champ de jauge U(1). Un couplage à un conducteur idéal est mis en oeuvre à la suite de la sonde de tension de Büttiker. Les courants permanents de charge et de spin sont calculés en présence de l’interaction SO et le couplage du réservoir pour deux scénarios distincts de la fraction d’électrons de remplissage. La dégradation des courants permanents dépend de manière uniforme du couplage du réservoir. Le problème des courants permanents de charge et de spin est également considéré sur un disque de Corbino construit à partir d’une feuille de graphène. L’hamiltonien en coordonnées cylindriques est soigneusement examinée afin de refléter hermiticité et la covariance. Nous utilisons la définition de la réponse linéaire afin de déterminer les courants persistants. Nous déterminons aussi les polarisations de spin et de pseudospin associées à ces courants d’équilibre. Les courants maximaux sont protégés contre les effets thermiques, ce qui les rend observables à des températures facilement accessibles

The underlying physics of magnetic domain wall motion is currently arousing a strong interest, enhanced by the possibilities of applications into magnetic memories.Domain walls are mostly studied in nanostripes made by lithography.Nevertheless, a cylindrical geometry would involve domain walls with different structures and dynamical behaviors that could resolve issues, such as the speed limitation observed in nanostripes.Their elaboration process, via the fabrication of nanoporous template followed by the electrolytic filling of the pores, leads to self-organized nanowires with high aspect ratio and weak distribution in diameter.In spite of their undeniable interest, for now only very few domain walls studies have been conducted on such cylindrical systems.This thesis hence intends to contribute to the subject.Part of the thesis have been devoted to the setting and development of some steps of the fabrication process : reduction of membrane porosity, modulation of the pore diameter, electrodeposition of a magnetic alloy.These geometrical and structural adjustments of the nanowires have been used to study several facets of domain walls in nanowires.In the first place, an experimental way to reduce the magnetostatic interactions that could disturb domain wall propagation in dense arrays of nanowires have been proposed.Its efficency have been demonstrated through array hysteresis cycles, on the domain wall nucleation that occurs at nanowires extremities during magnetization reversal.Others pinning mechanisms have then been evidenced by analyzing initial magnetization curves measured after a controlled nucleation of domain walls.However, the observation of propagation fields of a few milliteslas by magnetic force microscopy (MFM) on individual nanowires opens the way to dynamical studies on such systems.At last, the observation of domain wall internal structure by X-ray magnetic circular dichroism in photoemission electron microscopy (XMCD-PEEM) evidenced the two types of domain walls theoretically and numerically predicted, for which very different mobilities are expected., La richesse de la physique sous-jacente au déplacement de parois magnétiques suscite actuellement un fort intérêt, réhaussé par les possibilités d'applications dans les mémoires magnétiques.Les nanobandes fabriquées par lithographie constituent la quasi-totalité des systèmes dans lesquels les parois sont étudiées.Une géométrie cylindrique implique cependant des structures et dynamiques de parois qui se démarqueraient de celles observées dans les nanobandes et résoudraient notamment les limitations des vitesses de propagation observées.Leur procédé d'élaboration, fabrication d'une membrane nanoporeuse et remplissage électrolytique des pores, permet d'obtenir des fils auto-organisés en réseau, de grand rapport d'aspect et de faible distribution en diamètre.Malgré leur intérêt indéniable, peu d'études ont été consacrées aux parois dans ces systèmes cylindriques.Cette thèse se propose donc de contribuer au sujet.Une partie de cette thèse a été consacrée à la mise en place et au développement de certaines étapes du procédé de fabrication : réduction de la porosité des membranes, modulation du diamètre des pores, dépôt électrolytique d'un alliage magnétique.Ces ajustements de la géométrie et de la structure des fils ont permis d'étudier plusieurs aspects des parois dans les nanofils.Dans un premier temps, une méthode expérimentale a été proposée pour réduire les interactions magnétostatiques qui gêneraient la propagation des parois dans les réseaux denses de fils.Son efficacité a été démontrée sur le mécanisme de nucléation des parois qui intervient en bout de fil lors du renversement de l'aimantation, en mesurant les cycles d'hystérésis des réseaux de fils.D'autres mécanismes de piégeage ont ensuite été mis en évidence par l'analyse de courbes de première aimantation mesurées suite à la nucléation contrôlée de parois.Les champs de propagation de l'ordre de quelques milliteslas, mesurés par microscopie à force magnétique sur des fils individuels, ouvrent cependant la voie aux études dynamiques dans ces systèmes.Enfin, l'observation de la structure interne des parois par dichroïsme circulaire magnétique de rayons X en microscopie de photoémission d'électrons (PEEM-XMCD) a permis de mettre en évidence les deux types de parois prédits par la théorie et les simulations, pour lesquels des mobilités très différentes sont attendues.

A non-Abelian gauge formulation for the Rashba and Dresselhaus hamiltonians, relevant in spintronics of non-centrosymmetric materials, is studied. The gauge fields defined are proportional to the SU(2) generators and also to potential gradients of extrinsic and intrinsic origin which results in a U(1) × SU(2) formulation. We derived from the corresponding lagrangian the equations of motion and conserved spin currents. It is shown that the mandatory presence of a Proca mass type term fixes the gauge and solves in consequence the gauge dependence of the spin current and therefore the ambiguities of the spin current reported in the literature. The invariant gauge subgroup of this theory will be studied. We will analyze some topological consequences of the gauge formulation of Rashba and Dresselhaus focusing on interferometers models and quantization conditions similar to the integer quantum Hall effect. A Spin filtering device, through quantum spin interference, is addressed in a quasi-2 dimensional GaAs/AlGaAs electron gas that has both Rashba and Dresselhaus spin-orbit couplings and an applied external magnetic field. We propose an experimentally feasible electronic Mach Zehnder Interferometer that determines perfect spin filtering conditions. We find two spin filtering regimes, one where filtering is achieved in the original incoming quantization basis, that takes advantage of the purely non-Abelian nature of spin rotations, and the other, where one needs a tilted preferential axis to observe the polarized output spinor. We also address the electronic states of a mesoscopic ring in the presence of Rashba Spin Orbit coupling and a U(1) gauge field. Spin symmetric coupling to an ideal lead is implemented following Büttiker’s voltage probe. The spin and charge persistent currents are computed in the presence of the SO interaction and the reservoir coupling for two distinct scenarios of the electron filling fraction. The degradation of the persistent currents depends uniformly on the reservoir coupling but due to the fact that currents emerge from different depths of the fermi sea, they depend non uniformly in temperature, “shielding” the currents with a protective gap. Finally the problem of persistent charge and spin currents is addressed on a Corbino disk built from a graphene sheet. We consistently derive the Hamiltonian including kinetic, intrinsic (ISO) and Rashba spin-orbit interactions in cylindrical coordinates. The Hamiltonian is carefully considered to reflect hermiticity and covariance. We use the linear response definition in order to determine the charge persistent currents. We also determine the spin and pseudo spin polarizations associated with such equilibrium currents. For the intrinsic case one can also compute the correct currents by properly defining the bare velocity operator associated with ISO problem or alternatively the ISO group velocity operator associated with the free case. Charge currents for both SO couplings reach maximal values in the vicinity of half integer flux quanta. Such maximal currents are protected from thermal effects because contributing levels plunge (~1K) into the Fermi sea at half integer flux values. Such a mechanism, makes them observable at readily accessible temperatures. Spin currents only arise for the Rashba coupling, due to the spin symmetry of the ISO spectrum. For the Rashba coupling, spin currents are canceled at half integer fluxes but they remain finite in the vicinity, and the same scenario above protects spin currents, Se estudia una formulación de calibre no abeliana de los hamiltonianos Rashba y Dresselhaus, relevantes en espintrónica de materiales no centrosim étricos. Los campos de calibre definidos son proporcionales a los generadores SU(2) y también a los gradientes de potencial de origen extrínseco e intrínseco que se traducen en una formulación U(1) × SU(2). Derivamos del Lagrangiano correspondiente las ecuaciones del movimiento y las corrientes de espín conservadas. Se demuestra que la presencia obligatoria de un término de masa tipo Proca fija el calibre y resuelve en consecuencia la dependencia de calibre en la corriente de esp´n y, por lo tanto, las ambig¨uedades asociadas a la definición de la corriente de espín reportadas en la literatura. Se estudia el subgrupo invariante de esta teoría. Analizamos algunas de las consecuencias topológicas de la formulación de calibre de Rashba y Dresselhaus centrándonos en modelos de interferómetros y condiciones de cuantización similares al efecto Hall cuántico entero. Se propone un dispositivo de filtrado de espín basado en interferencia cuántica de espín, en un gas de electrones cuasi-bidimiensional GaAs/AlGaAs que posee acoplamientos spin-órbita tanto Rashba como Dresselhaus y un campo magnético externo aplicado. Proponemos un interferómetro electrónico tipo Mach-Zehnder experimentalmente factible que determina perfectamente las condiciones de filtrado de espín. Nos encontramos con dos regímenes, un primer régimen donde se logra el filtrar en la base original de cuantización, que toma ventaja de la naturaleza puramente no abeliana de las rotaciones de esín, y el otro, donde se necesita un eje preferencial inclinado (tilted) para observar el espinor polarizado de salida. Estudiamos los estados electrónicos de un anillo mesoscópico en presencia de acoplamiento espín orbita tipo Rashba y un campo de calibre U(1). El acoplamiento simétrico en espín a un cable ideal se implementa siguiendo el procedimiento de punta de prueba de B¨uttiker. La corrientes persistentes de carga y de espín se calculan en presencia de la interacción SO acopladas con un reservorio, tomando en cuenta dos escenarios distintos para de la fracción de electrones de llenado. La degradación de las corrientes persistentes depende de manera uniforme del acoplamiento con el reservorio debido al hecho de que las corrientes emergen de diferentes profundidades del mar de Fermi, y por lo tanto para algunos regímenes particulares de flujo magnético dependen de manera no uniforme de la temperatura, produciendo un “ blindaje” de las corrientes frente a la temperatura mediante una brecha de energía protectora. Se aborda el problema de las corrientes persistentes de carga y espín en un disco Corbino, construido a partir de una hoja de grafeno. Consistentemente derivamos el Hamiltoniano incluyendo su parte cinética, interacciones espín - órbita intrínseca (ISO) y Rashba en coordenadas cilíndricas. El Hamiltoniano es construido cuidadosamente para reflejar la hermeticidad y covariancia. Utilizamos teoría de respuesta lineal con el fin de determinar las corrientes persistentes de carga. También determinamos las polarizaciones de espín y de pseudoespín asociados con estas corrientes de equilibrio. Para el caso intrínseco también se pueden calcular las corrientes definiendo correctamente el operador velocidad (bare) y calculando con las funciones de onda ISO o alternativamente, el operador de velocidad de grupo ISO para las funciones de onda libres. Las corrientes de carga para ambos acoplamientos SO alcanzan valores máximos en las proximidades de semi-enteros de cuantos de flujo. Tales corrientes máximas están protegidos de los efectos térmicos ya que los niveles que contribuyen se hunden (~ 1K) en el mar de Fermi para valores semi-enteros de flujo. Este mecanismo los hace observable a temperaturas de fácil acceso. Las corrientes de espín sólo surgen en presencia de acoplamiento Rashba, debido a la simetría de espín del espectro ISO. Para el acoplamiento Rashba, las corrientes de espín se cancelan en flujos semi-enteros pero se mantienen finitas en su vecindad. El mismo escenario anterior protege las corrientes de espín, Une formulation de jauge non-abélienne pour les hamiltoniens Rashba et Dresselhaus, relevants dans l’électronique de spin des matériaux non centrosymétriques est développée. Les champs de jauge définis sont proportionnels aux générateurs SU(2) et aux gradients des potentiels extrinsèque et intrinsèque d’origine, ce qui se traduit par une structure U(1) × SU(2). Nous avons déduit du lagrangien correspondant les équations du mouvement et les courants de spin conservés. On montre que la présence obligatoire d’un terme de masse de type Proca fixe la jauge et résout en conséquence la dépendance de la jauge dans le courant de spin et donc les ambiguïtés du courant de spin rapportées dans la littérature. Nous avons analysé certaines conséquences topologiques, mettant l’accent sur les modéles d’interféromètres et l’apparition de conditions de quantification semblables à celles de l’effet Hall quantique entier. Un dispositif de filtrage de spin par interférences est proposé dans un gaz d’électrons quasi-bidimensionnels GaAs/AlGaAs qui possède à la fois les couplages Rashba et Dresselhaus et un champ magnétique externe appliqué. Nous proposons un interféromètre de Mach Zehnder, accessible en électronique expérimentale et nous déterminons les conditions de filtrage de spin parfait. Nous trouvons deux régimes de filtrage de spin, celui où le filtrage est réalisé dans la base de quantification du faisceau entrant, qui tire parti de la nature purement non-abélien de rotations de spin, et l’autre, où l’on a besoin d’un axe préférentiel incliné pour observer le spineur de sortie polarisé. Nous étudions les états électroniques d’un anneau mésoscopique en présence de couplage spin-orbite Rashba et d’un champ de jauge U(1). Un couplage à un conducteur idéal est mis en oeuvre à la suite de la sonde de tension de Büttiker. Les courants permanents de charge et de spin sont calculés en présence de l’interaction SO et le couplage du réservoir pour deux scénarios distincts de la fraction d’électrons de remplissage. La dégradation des courants permanents dépend de manière uniforme du couplage du réservoir. Le problème des courants permanents de charge et de spin est également considéré sur un disque de Corbino construit à partir d’une feuille de graphène. L’hamiltonien en coordonnées cylindriques est soigneusement examinée afin de refléter hermiticité et la covariance. Nous utilisons la définition de la réponse linéaire afin de déterminer les courants persistants. Nous déterminons aussi les polarisations de spin et de pseudospin associées à ces courants d’équilibre. Les courants maximaux sont protégés contre les effets thermiques, ce qui les rend observables à des températures facilement accessibles

Since a few years, magnetic memories have been extensively studied in order to compete with already existing Random Access Memories such as DRAM. In this context, double barrier magnetic tunnel junctions may have significant assets in terms of reading speed and electrical consumption. In fact, we demonstrated that spin transfer torque is enhanced when polarizers magnetizations are antiparallel, thus yielding a decrease of the writing current. On the contrary, when polarizers are parallel, spin transfer torque is drastically shrinked, thus allowing fast reading of the storage layer state at a voltage as large as the writing voltage. Moreover, we proposed an analysis method to characterize both tunnel barriers by full-sheet electrical measurements, leading to considerable gain of time in material developpement., Afin de concurrencer les mémoires à accès aléatoire de type DRAM actuellement sur le marché, les mémoires magnétiques ont depuis quelques années fait l'objet de nombreuses études afin de les rendre aussi performantes que possible. Dans ce contexte, les jonctions tunnel magnétiques à double barrière pourraient présenter des avantages significatifs en termes de vitesse de lecture et de consommation électrique. Nous avons en effet fait la démonstration que les structures à double barrière permettent, pour une configuration antiparallèle des aimantations des polariseurs, d'accroître les effets de transfert de spin assurant ainsi des courants d'écriture faibles. Dans la configuration parallèle des polariseurs, le phénomène est inversé et le couple par transfert de spin résultant est considérablement réduit. Cela permettrait de lire l'information plus rapidement en utilisant des tensions du même ordre de grandeurs que celles utilisées pour l'écriture. Nous avons par ailleurs proposé une méthode d'analyse permettant de caractériser les deux barrières tunnel par des mesures électriques en pleine plaque, ce qui facilite le développement des matériaux et atteste des propriétés électriques attendues avant nanofabrication.

I studied organic semiconductor/ferromagnet interfaces by characterizing them by spin-polarized electron scattering and photoemission spectroscopy experiments. In the first part, a completely unexpected behaviour of the spin-dependent electron reflection properties of these interfaces is observed. In fact, sub-monolayer coverage of the organic molecules makes the electron reflection amplitude independent of the spin, i.e. both the reflectivity and the reflection phase become independent of the spin orientation of the incident electrons. Although I am not able at the moment to identify the cause of this phenomenon, I show that it is a very general phenomenon which is independent of the energy of the primary electrons, the choice of the ferromagnetic substrate, the choice of the organic molecule, and of the orientation of the initial spin polarization. It is not due to a change of the surface magnetization, a depolarization of the primary electrons, or a direct interaction of the molecules with the ferromagnetic substrate. Moreover, theory does not predict so far the experimental results and further research is required to unveil the physics behind these observations. In the second part of my thesis, spin-resolved photoemission experiments have been performed at the synchrotron SOLEIL. The main result is the observation of a highly spin-polarized molecule-induced electronic state close to the Fermi level. Measurements as a function of the organic layer thickness allow us to determine the interfacial character of this electronic state. Finally, these results are compared with theoretical calculations performed at the institute.; J'ai étudié les interfaces semi-conducteur organiques/ferromagnétique par la diffusion des électrons et la photoémission résolue en spin. Dans la première partie, un comportement inattendu de la réflexion d'électrons dépendante de spin à ces interfaces est observé. En fait, une couverture sous-monocouche des molécules organiques rend l’amplitude de réflexion d’électrons indépendante de spin, c.à.d. que la réflectivité ainsi que la phase de réflexion devient indépendante de l'orientation du spin des électrons incidents. Bien que je ne sois pas en mesure d'identifier la cause de ce phénomène, je montre qu'il s'agit d'un phénomène très général qui est indépendante de l'énergie des électrons primaires, du choix du substrat ferromagnétique, du choix de la molécule organique, et de l'orientation de la polarisation initiale. Il n'est pas du à un changement de l’aimantation de surface, à une dépolarisation des électrons primaires, ou à une interaction directe des molécules avec le substrat ferromagnétique. En outre, la théorie ne prédit pas les résultats expérimentaux et d'autres recherches sont donc nécessaires pour dévoiler la physique derrière ces observations. Dans la seconde partie de ma thèse, les expériences de photoémission résolue en spin sont réalisées au synchrotron SOLEIL. Le résultat principal est l'observation d'un état électronique induite par les molécules organiques près du niveau de Fermi qui est hautement polarisé en spin. Des mesures en fonction de l’épaisseur de la couche organique permettent d’identifier le caractère interfacial de cet état électronique. Enfin, ces résultats sont comparés avec des calculs théoriques effectués à l'institut.

Accès restreint aux membres de l'Université de Lorraine jusqu'au 2014-12-31; The development of spintronics has stimulated the study of ferromagnetic thin films, used for magnetic data recording and reading. Although the GMR effect has been demonstrated in Fe/Cr superlattices, antiferromagnetic thin films only play an auxiliary role for these devices. Recent theoretic studies however proposed they could play a more active role, replacing ferromagnetic thin films, with competitive and distinct properties. Contrary to ferromagnetic layers, antiferromagnetic thin films have been much less experimentally examined because specific techniques (like neutron diffraction) are needed to that purpose, beyond usual characterization means. During this thesis work, we examined a model system for spintronics consisting in a thin film of chromium (001), an archetypal itinerant antiferromagnet, and a (001) magnesium oxide layer, widely used as a crystalline tunnel barrier in spintronic devices. We have demonstrated the possibility to control the magnetic anisotropy and the magnetic order of the antiferromagnet by mastering the growth conditions, and by doping Cr with Fe. Thanks to a detailed photoemission study, we have extended proofs of the interplay between magnetism and electronic structure in Cr, and in particular, we have evidenced surface and interface polarized states. By completing these results with neutron reflectivity experiments, we determined the magnitude of the ferromagnetic moments at the Cr/MgO(001) interface. Finally, by exploiting this gathered amount of knowledge, we succeeded in understanding and interpreting the characteristic magnetism observed in Cr/MgO heterostructures with thin tunnel barriers as the sign of a tunnel interlayer coupling; L'essor du domaine de l'électronique de spin a stimulé l'étude des propriétés de films minces ferromagnétiques utilisés pour la rétention et la lecture de l'information magnétique. Les films minces antiferromagnétiques, bien que mis en exergue par la démonstration de l'effet GMR dans des super-réseaux Fe/Cr, n'ont qu'un rôle auxiliaire dans ces dispositifs. Des études théoriques récentes proposent néanmoins de leur conférer un rôle actif avec des propriétés distinctes et compétitives, en remplacement des films ferromagnétiques. Contrairement aux couches ferromagnétiques, les films antiferromagnétiques ont été l'objet de beaucoup moins de travaux expérimentaux : l'ordre antiferromagnétique ne peut être étudié que par quelques techniques spécifiques, telles que la diffraction de neutrons. Au cours de cette thèse, nous avons examiné un système modèle pour l'électronique de spin, constitué d'une couche mince de chrome (001), archétype de matériau antiferromagnétique itinérant, et d'une couche d'oxyde de magnésium (001), barrière cristalline la plus largement utilisée. Nous avons montré qu'il était possible de contrôler l'anisotropie magnétique et l'ordre magnétique de l'antiferromagnétique grâce à une maîtrise fine des conditions de croissance et grâce au dopage par le Fe. Une étude détaillée par photoémission a permis d'approfondir les preuves du couplage du magnétisme et de la structure électronique du Cr, et en particulier de mettre en évidence des états de surface et d'interface polarisés. Ces résultats ont été complétés par la détermination du moment ferromagnétique d'interface du Cr/MgO (001) par réflectivité de neutrons. Enfin, en tirant parti de ce socle de connaissance, nous avons pu comprendre et interpréter le magnétisme caractéristique d'hétérostructures de Cr comportant une barrière cristalline fine de MgO, comme la signature d'un couplage tunnel intercouches

The study of current-induced magnetic domain wall motion through spin transfer torque has attracted a lot of attention in recent years, especially since new magnetic memories devices based on this effect have been proposed. Recently, a new mechanism allowing for highly efficient current-induced domain wall motion has been discovered in ultrathin asymmetric materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. However this mechanism, named spin-orbit torque, and its effect on domain wall motion are not yet well understood.The objective of this work was to study the influence of this spin-orbit torque on domain wall motion. For that, I have studied field- and current-induced domain wall motion in Pt/Co/AlOx trilayer, in the presence of an in-plane magnetic field. This work allowed highlighting the existence of an asymmetric effect in the domain-wall dynamics of this system.In order to explain this result, we have proposed a new kind of domain wall structure, resulting from Dzyaloshinskii-Moriya interaction in materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. Using analytic calculations and micro-magnetic simulations, this domain wall dynamics has been studied and compared to the experimental results. Finally, a second approach based on the presence of an anisotropic damping mechanism has also been proposed to explain the asymmetric effect observed experimentally., L'étude du déplacement des parois de domaines magnétiques au moyen d'un courant électrique, par couple de transfert de spin, a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs de mémoires magnétiques utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans les matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et à fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite, reste néanmoins loin d'être acquise, tout comme son effet sur la propagation des parois de domaines.L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'influence de ce couple de spin-orbite sur la dynamique des parois. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de paroi sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx en présence d'un champ magnétique planaire, utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du couple de spin-orbite sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet asymétrique dans la dynamique de la paroi pour ce type de système.Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique d'une telle paroi a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Enfin, toujours dans le but d'expliquer l'effet asymétrique observé expérimentalement, une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope a également été proposée.

My PhD work is dedicated to the spin transfer induced self-sustained dynamics of two coupled vortices, in nano-pillars spin-valves structures (Py/Cu/Py). A first objective was to understand the spin-polarized transport processes as well as spin transfer mechanisms associated to highly non-homogeneous magnetic configurations. This study allows me to identify and then precisely tune the vortex based magnetic configurations, and notably to observe the influence of spin transfer on reversal mechanisms of the vortex core. Combining analytical calculations and micro-magnetic simulations, we determine the conditions on relative parameters for the two vortices (chiralities and polarities) necessary to obtain self-sustained gyrotropic oscillations of the coupled vortices in a single pillar. A very interesting case is predicted for the pillars with larger diameters (typically over 200nm) for which the critical current is reduced to zero. The experimental results confirm the predictions that a coupled dynamics exists with linewidths as narrow as 200kHz, that is a record at zero field (corresponding to a quality factor Q ≈ 5000, an order of magnitude over the self-sustained oscillations of a single vortex), and even down to 50kHz under external field.A second objective was to investigate the synchronization of two vortex based spin transfer oscillators. We demonstrate theoretically that the phase locking through dipolar coupling of two identical oscillators can be achieved for any parameters of the two vortex. However, the coupling is three times stronger when vortices have opposite core polarities. From an experimental point of view, the synchronization capability for two oscillators having a frequency mismatch reaching up to 10 % of the auto-oscillation frequency has been demonstrated. This work, being part of the research effort made to improve the rf properties of spin transfer nano-oscillators emphasizes how the excitation of coupled magnetizations modes is important to reach lower and lower linewidths.; Le sujet de cette thèse concerne la dynamique auto-entretenue excitée par transfert de spin de vortex couplés, dans des structures de type nano-piliers vannes de spin (Py/Cu/Py). Un premier objectif a été de comprendre les processus de transport polarisé en spin et de transfert de spin associés à des configurations d’aimantation fortement non-homogènes. Cette étude a permis d‘identifier et ainsi de précisément contrôler les configurations magnétiques à base de vortex, et en particulier d’observer l’influence du transfert de spin sur les mécanismes de renversement du cœur de vortex. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, nous avons également pu déterminer les conditions sur les paramètres relatifs des deux vortex (chiralités et polarités) pour obtenir des oscillations gyrotropiques couplées auto-entretenues de deux vortex dans un pilier unique. Un cas très intéressant est prévu pour les piliers de plus grands diamètres (typiquement supérieurs à 200nm) pour lesquels le courant critique est réduit potentiellement à zéro. Les résultats expérimentaux confirment les prédictions sur l’existence d’une dynamique couplée de vortex, avec des largeurs de raies atteignant 200kHz, un record à champ nul (soit un facteur de qualité Q ≈ 5000, un ordre de grandeur plus grand que pour les auto-oscillations de vortex unique) et diminuant même jusqu’à 50kHz sous champ extérieur. Un second objectif de ce travail a été l’étude de la synchronisation de deux auto-oscillateurs à transfert de spin à base de vortex. Nous avons démontré que le verrouillage des phases par couplage dipolaire de deux oscillateurs identiques peut être théoriquement obtenu indépendamment des paramètres des deux vortex. Toutefois un couplage trois fois plus important est prévu dans le cas de vortex de polarités opposées. Du point de vue expérimental, des premiers résultats ont permis de démontrer une faculté de synchronisation de deux oscillateurs présentant un écart en fréquence atteignant jusqu'à 10% de leurs fréquences d'auto-oscillation. Ce travail de thèse, qui s’inscrit dans l’effort de recherche mené pour améliorer les performances rf des nano-oscillateurs à transfert de spin, a permis d’illustrer que l’excitation de modes d’aimantations couplées est une voie à poursuivre dans le but d’aboutir à des largeurs de raies de plus en plus faibles.

In magnetic heterostructures, the interaction between itinerant conduction electrons with localized electrons is at the origin of effects such as the spin momentum transfer, spin pumping or the spin Hall effect. This thesis is centred on the phenomenon of spin pumping, which states that a precessing ferromagnetic (FM) layer injects a pure spin current into its adjacent metallic layers. This spin current can be partially or fully absorbed by a spin sink layer, placed directly in contact with the ferromagnet or separated by a spacer layer. The absorption of the transverse component of the spin current results in an enhancement of the effective damping of the precessing ferromagnet which we have studied using ferromagnetic resonance experiments for three different ferromagnets (NiFe, CoFeB and Co) as the precessing FM layer and various paramagnets (Pt, Pd, Ru), ferromagnets or an antiferromagnet as the spin sink layer. As a first step we have verified that the additional non-local damping is Gilbert type, and that it depends inversely on the thickness of the FM precessing layer. The analysis of the enhanced damping was done in the frame of an adiabatic spin pumping model proposed by Tserkovnyak et al. Within this model we extracted as a second step the interfacial spin mixing conductance parameters g↑↓ for various interfaces, which determine the spin current transport through FM/NM interfaces. A third important result of the thesis concerns the absorption length of spin currents in ferromagnets and paramagnets which we found can be very different. In ferromagnets the spin current absorption is linear with the spin sink layer thickness, with a characteristic length of ~1nm. This is consistent with theory and the spin dephasing length for spin momentum transfer in ferromagnets. In paramagnets such as Pt, Pd, Ru, the spin current absorption is either linear or exponential depending on whether the paramagnetic is directly in contact with the FM or separated by a thin Cu spacer layer. The corresponding characteristic length is less than the spin diffusion length. Complementary X-ray magnetic circular dichroism measurements revealed induced magnetic moments in paramagnets like Pd, Pt when directly or indirectly coupled with a FM layer. This provides an explanation for the linear thickness dependence for the direct contact heterostructures. Since spin pumping and spin transfer torque (STT) are reciprocal processes the results of this thesis on the spin mixing conductances, spin absorption length scales and induced moments will also be of great interest for studies on spin momentum transfer, Spin Hall effect and Inverse Spin Hall effect. The convenience being that these studies can be done on continuous films and no nanofabrication is required., L'interaction entre électrons de conduction itinérants et électrons localisés dans les hétérostructures magnétiques est à l'origine d'effets tels que le transfert de moment de spin, le pompage de spin ou l'effet Hall de spin. Cette thèse est centrée sur le phénomène de pompage de spin : une couche ferromagnétique (FM) en précession injecte un courant de spin pur dans les couches adjacentes. Ce courant de spin peut être partiellement ou totalement absorbé par une couche, dite réservoir de spin, placée directement en contact avec le matériau ferromagnétique ou séparée par une couche d'espacement. L'absorption de la composante transverse du courant de spin induit une augmentation de l'amortissement de la précession ferromagnétique de la couche libre. Cet effet à été mesuré par des expériences de résonance ferromagnétique avec, pour la couche en précession FM, trois matériaux ferromagnétiques différents (NiFe, CoFeB et Co), et pour la couche de réservoir de spin, différents matériaux paramagnétiques (Pt, Pd, Ru), ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Dans un premier temps, nous avons vérifié que le facteur d'amortissement non-local généré est de type amortissement de Gilbert, et qu'il est inversement proportionnel à l'épaisseur de la couche en précession FM. L'analyse de l'augmentation de l'amortissement a été réalisée dans le cadre du modèle de pompage de spin adiabatique proposé par Tserkovnyak et al.. Dans un second temps et suivant ce modèle, nous avons extrait les paramètres de conductance avec mélange de spin à l'interface g↑↓ pour différentes interfaces, ces paramètres déterminent le transport du courant de spin à travers des interfaces ferromagnétique/métal non-magnétique. Un troisième résultat important de cette thèse porte sur la longueur d'absorption du courant de spin dans des matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques. Celle-ci varie considérablement d'un matériau à l'autre. Pour les matériaux ferromagnétiques, la longueur d'absorption du courant de spin est linéaire par rapport à l'épaisseur de la couche réservoir de spin, avec pour longueur caractéristique ~ 1 nm. Ce résultat est en cohérence avec les théories antérieures et avec les valeurs de longueur de déphasage de spin pour le transfert de moment de spin dans les matériaux ferromagnétiques. Dans les paramagnétiques tels que Pt, Pd, Ru, la longueur d'absorption est soit linéaire soit exponentielle selon que le réservoir paramagnétique est directement en contact avec la couche en précession ou bien séparé par une couche mince d'espacement en Cu. La longueur caractéristique correspondante est inférieure à la longueur de diffusion de spin. Des mesures complémentaires de dichroïsme circulaire magnétique par rayons X ont révélé une induction de moments magnétiques dans les matériaux paramagnétiques comme Pd, Pt, lorsque couplé directement ou indirectement avec une couche FM. Ce résultat fournit une explication de la dépendance en épaisseur linéaire observée dans les hétérostructures en contact direct. Etant donné que le pompage de spin et le couple de transfert de spin (STT) sont des processus réciproques, les résultats de cette thèse sur la conductance avec mélange de spin, la longueur d'absorption de spin et les moments de spin induits sont également d'un grand intérêt pour les études de transfert de moment de spin, ainsi que d'effet Hall de spin, direct et inverse. L'avantage des études présentées ici réside dans le fait qu‘elles sont effectuées sur des couches minces continues, sans aucune étape de nanofabrication.

Ever since its prediction, spin transfer has spawned a lot of interest, and some applications have already been commercialized. However the spin transfer effect is still not fully understood. This thesis focused on magnetization dynamics and spin transfer effect in spin valves with out of plane magnetization, proven to be more efficient. With this in mind, we developped a software simulating magnetization dynamics in spin valve. We then confronted the software with experimental results to check our model and its hypotheses veracity. Another part of this thesis was to study current-field state diagrams, which offer a global perspective on magnetization behavior. We managed to show the applied field and the anisotropy could produce a symmetry breaking of the system and thus explain the experimental results. We were also able to highlight canted states of the magnetization. Those are frozen states of the magnetization for certain angles. The last part describes magnetization dynamics at different time scales from a second to a hundred picoseconds. We showed the macrospin model is not appropriate for short current pulses, although we could highlight the influence of some parameters. We finally the micromagnetics model allowed for a better description of the experimental results; Depuis sa prédiction, le transfert de spin est devenu un sujet de recherche important et certaines applications ont déjà été commercialisées. Cependant, ce domaine laisse encore de nombreuses questions quant aux processus physiques mis en jeu. Notre travail s'est consacré à l'étude de la dynamique d'aimantation sous l'effet de transfert de spin dans des vannes de spin avec une aimantation perpendiculaire au plan, ces dernières présentant une meilleure efficacité. Pour cela, nous avons dans un premier temps développé un programme de simulation macrospin que nous avons par la suite confronté aux résultats expérimentaux. Notre étude s'est d'abord focalisée sur les diagrammes d'état champ-courant, qui donnent une perspective globale du comportement de l'aimantation. Nous avons pu montrer que le champ extérieur ou l'anisotropie sont capables de briser la symétrie du système et ainsi expliquer la différence entre prédictions et observations. Nous avons ensuite mis en évidence des états cantés, qui sont des états où l'aimantation est figée à un angle précis. La dernière partie de cette thèse fut consacrée à la dynamique d'aimantation à différentes échelles de temps de la seconde à la centaine de picosecondes. C'est ainsi que nous avons pu constater les limites du modèle macrospin, incapable d'expliquer les résultats expérimentaux. Nous nous sommes alors tournés vers un modèle micromagnétique, et avons pu montrer qu'il permet de mieux décrire les résultats expérimentaux

Ever since its prediction, spin transfer has spawned a lot of interest, and some applications have already been commercialized. However the spin transfer effect is still not fully understood. This thesis focused on magnetization dynamics and spin transfer effect in spin valves with out of plane magnetization, proven to be more efficient. With this in mind, we developped a software simulating magnetization dynamics in spin valve. We then confronted the software with experimental results to check our model and its hypotheses veracity. Another part of this thesis was to study current-field state diagrams, which offer a global perspective on magnetization behavior. We managed to show the applied field and the anisotropy could produce a symmetry breaking of the system and thus explain the experimental results. We were also able to highlight canted states of the magnetization. Those are frozen states of the magnetization for certain angles. The last part describes magnetization dynamics at different time scales from a second to a hundred picoseconds. We showed the macrospin model is not appropriate for short current pulses, although we could highlight the influence of some parameters. We finally the micromagnetics model allowed for a better description of the experimental results, Depuis sa prédiction, le transfert de spin est devenu un sujet de recherche important et certaines applications ont déjà été commercialisées. Cependant, ce domaine laisse encore de nombreuses questions quant aux processus physiques mis en jeu. Notre travail s'est consacré à l'étude de la dynamique d'aimantation sous l'effet de transfert de spin dans des vannes de spin avec une aimantation perpendiculaire au plan, ces dernières présentant une meilleure efficacité. Pour cela, nous avons dans un premier temps développé un programme de simulation macrospin que nous avons par la suite confronté aux résultats expérimentaux. Notre étude s'est d'abord focalisée sur les diagrammes d'état champ-courant, qui donnent une perspective globale du comportement de l'aimantation. Nous avons pu montrer que le champ extérieur ou l'anisotropie sont capables de briser la symétrie du système et ainsi expliquer la différence entre prédictions et observations. Nous avons ensuite mis en évidence des états cantés, qui sont des états où l'aimantation est figée à un angle précis. La dernière partie de cette thèse fut consacrée à la dynamique d'aimantation à différentes échelles de temps de la seconde à la centaine de picosecondes. C'est ainsi que nous avons pu constater les limites du modèle macrospin, incapable d'expliquer les résultats expérimentaux. Nous nous sommes alors tournés vers un modèle micromagnétique, et avons pu montrer qu'il permet de mieux décrire les résultats expérimentaux

Spin Torque Oscillators (STO) are nano-sized Radio-Frequency oscillators whose frequency agility can be tuned by an order of magnitude. This tuning originates from the non-linear properties of the underlying magnetization dynamics that is induced by spin transfer torque (STT) in multilayered magnetic nanostructures. Being highly tunable in frequency has the inconvenient of creating a very strong sensitivity to noise. As a result the spectral purity of STOs is far below the one required for applications for instance in telecommunications. The magnetization dynamics induced by STT has been described theoretically in the frame of nonlinear spin wave theory that makes the essential features of the underlying properties very transparent. However important information on the excitation mode are "buried" in phenomenological parameters such as NU the amplitude-phase coupling and Gp the amplitude relaxation rate. Determining these parameters with accuracy from experiments is thus an important issue. This thesis describes several experimental methods to extract these parameters. The first is time domain noise spectroscopy which permits to extract phase and amplitude noise Power Spectral Densities. Their analysis in the frame of theoretical models allows direct extraction of the nonlinear parameters, but also to quantify the technological relevant phase noise. This is demonstrated for magnetic tunnel junction devices. A second method is the analysis of higher harmonics linewidth, where it is shown that due to the non-isochronous property of STOs, the relationship between Dfn and Df1 is non-trivial and allows to extract NU and Gp. We then apply the information gathered on the autonomous dynamics of STOs to understand the non-autonomous dynamics of STOs that are a prerequisite for the use of STOs in complex RF architectures. It is shown experimentally how the nonlinear parameters influence this non-autonomous behaviour., Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs Radiofréquence nanométriques dont la fréquence peut être variée d'un ordre de grandeur. Cette forte agilité en fréquence provient des propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin (STT) dans des multicouches magnétiques nano-structurées. Cette forte agilité en fréquence a le désavantage d'induire une forte sensibilité au bruit. La pureté spectrale des STO est alors bien en dessous des pré-requis pour les applications en télécommunications. Les principales propriétés de la dynamique de l'aimantation induite par le STT ont été décrites simplement à l'aide de la théorie non-linéaire des ondes de spin. Cependant des informations importantes sur le mode d'excitation sont enfouies dans des paramètres phénoménologiques tels que le couplage amplitude-phase NU et le taux de relaxation Gp. La détermination de ces paramètres avec précision est d'un intérêt primordial pour la description de la dynamique non-linéaire. Cette thèse décrit plusieurs méthodes expérimentales pour extraire ces paramètres. La première est la spectroscopie de bruit depuis le domaine temporel qui permet l'extraction des Densités Spectrales de Puissance du bruit d'amplitude et de phase. Leur analyse dans le cadre des modèles théoriques permet non seulement d'extraire directement les paramètres non-linaires mais également de quantifier le bruit de phase qui a un intérêt technologique. Ceci est démontré pour des dispositifs basés sur des jonctions tunnels magnétiques. La deuxième méthode est basée sur l'analyse des largeurs de raies des harmoniques du signal, où il est montré que du fait des propriétés non-isochrones des STO, la relation entre Dfn et Df1 est non triviale et permet l'extraction de NU et Gp. Nous utilisons alors toutes les informations obtenues sur le régime autonome de la dynamique des STO pour comprendre leur dynamique non-autonome qui sont des pré-requis à leurs utilisations dans des architectures RF complexes.

Within the last two decades, domain wall manipulation became one of the undetachable partsof spintronics. The interaction between spin-polarized conduction electrons and localizedmagnetic moments in terms of giant magnetoresistance in 1988 and in terms of spin-transfertorque in 1996, launched an avalanche of experimental work on current-inducedmagnetization dynamics. Despite the very intensive research in this field, many fundamentalquestions stay unanswered. For example, the origin of the phenomenological parameters alphaand beta, being at the heart of the description of the magnetization dynamics, is not fullyunderstood. Usually, in the experimentally studied systems the micromagnetic parametersare fixed, so that it is impossible to verify their role in magnetization dynamics. For example,changing parameters like magnetization or angular momentum, domain wall width, etc.,would shed more light on the understanding of the field- or current-induced domain walldynamics process. In the first part of my work I will describe an alloy of Gd1-xCox with acomposition, i.e. magnetization, gradient. The alloy composition is chosen in a way that amagnetically compensated interface is present in our thin films. Such a thin film serves as anideal model system with a continuous change of magnetization at a constant temperature. Thissystem is the subject of a study of field- current- and light-induced magnetization dynamics.In the second part of the work, Pt/Co/AlOx trilayer, a system already shown to be suitable forfast and reproducible domain wall manipulation is studied. I experimentally tested and provedthe hypothesis connecting the spin-transfer torque efficiency with a transverse magnetic fieldhaving as origin the Rashba field at the Co interfaces., Pendant les deux dernières décennies, la manipulation des parois de domaines est devenuel'une des parties inamovibles de la spintronique. L'interaction entre les électrons deconduction polarisés en spin et les moments magnétiques localisés en termes demagnétorésistance géante en 1988 et en termes de couple de transfert de spin en 1996, a lancéune avalanche de travaux expérimentaux sur la dynamique de l’aimantation induite par uncourant polarisé. Malgré les recherches très intensives dans ce domaine, de nombreusesquestions fondamentales restent sans réponse. Par exemple, l'origine des paramètresphénoménologiques alpha et bêta, étant au coeur de la description de la dynamique del'aimantation, n'est pas entièrement comprise. Habituellement, dans les systèmes étudiésexpérimentalement les paramètres micromagnétiques sont fixés, de sorte qu'il est impossiblede vérifier leur rôle dans la dynamique de l'aimantation. Par exemple, un changement d’unparamètres tel que l’aimantation ou le moment angulaire, la largeur de paroi de domaine, etc,pourrait éclaircir la compréhension de la dynamique de parois induite par du champ ou decourant. Dans la première partie de mon travail que je vais décrire un alliage de Gd1-xCoxavec un gradient de composition (et donc d’aimantation). La composition de l’alliage estchoisi de façon que une interface magnétique compensée est présente dans nos couchesminces. Une telle couche mince sert de système modèle idéal avec un changement continu d’aimantation à une température constante. Ce système fait l'objet d'une étude sur la dynamiquede l'aimantation induite par le courant electrique, le champ magnétique et la lumière. Dans laseconde partie de l'ouvrage des tricouches Pt/Co/AlOx, un système déjà montré être adapté àla manipulation des parois de domaines rapide et reproductible, est étudiée. J'ai testéexpérimentalement et prouvé l'hypothèse reliant le rendement du couple de transfert de spin àle présence d’un champ magnétique transverse ayant pour origine l’effet Rashba auxinterfaces du cobalt.

Within the last two decades, domain wall manipulation became one of the undetachable partsof spintronics. The interaction between spin-polarized conduction electrons and localizedmagnetic moments in terms of giant magnetoresistance in 1988 and in terms of spin-transfertorque in 1996, launched an avalanche of experimental work on current-inducedmagnetization dynamics. Despite the very intensive research in this field, many fundamentalquestions stay unanswered. For example, the origin of the phenomenological parameters alphaand beta, being at the heart of the description of the magnetization dynamics, is not fullyunderstood. Usually, in the experimentally studied systems the micromagnetic parametersare fixed, so that it is impossible to verify their role in magnetization dynamics. For example,changing parameters like magnetization or angular momentum, domain wall width, etc.,would shed more light on the understanding of the field- or current-induced domain walldynamics process. In the first part of my work I will describe an alloy of Gd1-xCox with acomposition, i.e. magnetization, gradient. The alloy composition is chosen in a way that amagnetically compensated interface is present in our thin films. Such a thin film serves as anideal model system with a continuous change of magnetization at a constant temperature. Thissystem is the subject of a study of field- current- and light-induced magnetization dynamics.In the second part of the work, Pt/Co/AlOx trilayer, a system already shown to be suitable forfast and reproducible domain wall manipulation is studied. I experimentally tested and provedthe hypothesis connecting the spin-transfer torque efficiency with a transverse magnetic fieldhaving as origin the Rashba field at the Co interfaces.; Pendant les deux dernières décennies, la manipulation des parois de domaines est devenuel'une des parties inamovibles de la spintronique. L'interaction entre les électrons deconduction polarisés en spin et les moments magnétiques localisés en termes demagnétorésistance géante en 1988 et en termes de couple de transfert de spin en 1996, a lancéune avalanche de travaux expérimentaux sur la dynamique de l’aimantation induite par uncourant polarisé. Malgré les recherches très intensives dans ce domaine, de nombreusesquestions fondamentales restent sans réponse. Par exemple, l'origine des paramètresphénoménologiques alpha et bêta, étant au coeur de la description de la dynamique del'aimantation, n'est pas entièrement comprise. Habituellement, dans les systèmes étudiésexpérimentalement les paramètres micromagnétiques sont fixés, de sorte qu'il est impossiblede vérifier leur rôle dans la dynamique de l'aimantation. Par exemple, un changement d’unparamètres tel que l’aimantation ou le moment angulaire, la largeur de paroi de domaine, etc,pourrait éclaircir la compréhension de la dynamique de parois induite par du champ ou decourant. Dans la première partie de mon travail que je vais décrire un alliage de Gd1-xCoxavec un gradient de composition (et donc d’aimantation). La composition de l’alliage estchoisi de façon que une interface magnétique compensée est présente dans nos couchesminces. Une telle couche mince sert de système modèle idéal avec un changement continu d’aimantation à une température constante. Ce système fait l'objet d'une étude sur la dynamiquede l'aimantation induite par le courant electrique, le champ magnétique et la lumière. Dans laseconde partie de l'ouvrage des tricouches Pt/Co/AlOx, un système déjà montré être adapté àla manipulation des parois de domaines rapide et reproductible, est étudiée. J'ai testéexpérimentalement et prouvé l'hypothèse reliant le rendement du couple de transfert de spin àle présence d’un champ magnétique transverse ayant pour origine l’effet Rashba auxinterfaces du cobalt.

In the last years, intensive research activity has been dedicated to iron(II)-based spin transition compounds, for a better understanding of the fundamental phenomena as within the scope of practical application. These molecular materials possess two electronic configurations, which are interchangeable by the application of an external perturbation (thermal and optic bistability). Strong electron-lattice coupling may lead to cooperative behaviour, consequently abrupt spin transitions and hysteretic behaviour at the origin of a memory effect. Understanding and controlling this property is of primary interest in fundamental and applied research. The influence of metal dilution on the photo-induced transitions in FexZn1-x(btr)2(NCS)2.H2O is investigated by X-Ray diffraction on single crystals. We suggest a microscopic model interpreting the dynamics of the phase transition (nucleation and growth mechanisms of spin-like domains) through a structural analysis of the diffraction data. The effects of nanostructuration on the physicochemical properties have been studied on the one-dimensional coordination polymer [Fe(Htrz)2trz](BF4). Different surfactant-based organized molecular systems with various structural organizations are chosen for the synthesis in confined environments: reverse micellar solutions as well as lamellar (Lalpha) and reverse hexagonal (HII) liquid crystal phases. A relationship between size and shape, microstructure and physicochemical properties is established with a specific attention to reaction dynamics in the liquid crystal phase; Ces dernières années, de nombreux travaux de recherche ont été dédiés aux matériaux moléculaires à transition de spin à base de FeII, aussi bien du point de vue de la compréhension des phénomènes fondamentaux que de la mise en forme en vue d'applications. Ces matériaux présentent deux configurations électroniques inter-commutables sous l'effet d'une perturbation extérieure (bistabilité thermique et optique). Des interactions intra- et intermoléculaires fortes au sein du réseau cristallin peuvent conférer au matériau un comportement coopératif associé à des transitions de spin abruptes et un caractère hystérétique à l'origine d'un effet mémoire. La compréhension de l'origine de la coopérativité ainsi que sa maîtrise présentent à ce jour un intérêt certain. L'effet de la dilution métallique sur les propriétés de commutation photoinduites dans les composés FexZn1-x(btr)2(NCS)2.H2O est étudié par diffraction des rayons X sur monocristal. Un modèle microscopique expliquant les différents processus mis en jeu au cours de la transition (nucléation et séparation de phase) est proposé à partir d'une analyse structurale des données. Les effets de nanostructuration sont étudiés sur le polymère de coordination unidimensionnel [Fe(Htrz)2trz](BF4). Différents milieux inverses à base de tensioactif et d'organisation structurale variée (systèmes moléculaires organisés) ont été choisis pour une synthèse en environnement confiné (milieu micellaire inverse, phase cristal liquide hexagonale inverse (HII) et lamellaire (Lalpha)). Un lien entre la taille et la morphologie des particules, leur microstructure et leurs propriétés physico-chimiques est établi. Un intérêt particulier est porté à la dynamique de la réaction en milieu cristal liquide

Spin transfer torque effects have become a research subject of high interest during the last 15 years. However, in order to probe the fundamental physics of spin transfer torque model systems are needed. For a model system it must be as simple as possible to tune the significant parameters (magnetic and structural). In this work we analyze the suitability of two materials for this need. The studied materials are amorphous Co1-xTbx alloys elaborated by sputtering and MBE grown [Co/Ni](111) superlattices. Both systems show perpendicular magnetic anisotropy (PMA), which provides a uniaxial anisotropy to the system. This anisotropy and the magnetization, which are significant parameters for many models on spin transfer torque, can be tuned in a large range of values. The origin of this PMA is discussed. The domain structure is analyzed and transport measurements are interpreted. In addition we show a strong spin polarization of the electrons close to the Fermi level by doing photoemission experiments. A small intrinsic Gilbert damping parameter [alpha] is found by FMR spectroscopy. We conclude that both materials are good candidates to be used as model systems for spin transfer torque; Les effets de transfert de spin sont devenus un sujet de recherche majeur ces quinze dernières années. Cependant, un manque de vérifications expérimentales pour beaucoup de modèles décrivant les effets de transfert de spin peut être constaté. Ceci est surtout lié à un manque de systèmes magnétiques modèles permettant un contrôle précis des paramètres pertinents utilisés dans les modèles théoriques. Dans ce travail deux systèmes magnétiques à aimantation perpendiculaire ont été analysés : les alliages amorphes de Co1-xTbx élaborés par pulvérisation cathodique et les super-réseaux [Co/Ni](111) élaborés par épitaxie par jets moléculaires. L'anisotropie et l'aimantation, qui sont des paramètres pertinents dans beaucoup de modèles sur le transfert de spin, sont variables dans une large gamme. L'origine de cette anisotropie est discutée. La structure des domaines magnétiques est analysée et les résultats des mesures de transport sont interprétés. Pour les super-réseaux [Co/Ni](111) une forte polarisation en spin au niveau de Fermi est démontrée grâce à des expériences de photo émission résolue en spin et un coefficient d'amortissement intrinsèque [alpha] très faible est trouvé. Il est conclu que les alliages amorphes de Co1-xTbx et les super-réseaux [Co/Ni](111) sont des systèmes modèles pour le transfert de spin.

The polarization of the spin current in a spintronic device is at the origin of magneto-resistive effects that define its functional properties. Typically, in order to spin-polarize a current of electrons two alternatives are used: the electron current crosses either a ferromagnetic metal or a magnetic oxide barrier. Within this thesis, we addressed both alternatives. In a first step, layers of TiO2 diluted magnetic oxide type doped with cobalt were prepared by sputtering. Their structural, morphological and magnetic properties were studied to optimize their potential for integration into a complex spin filter type structure.In a second step, we focused our efforts on the elaboration and the study of single-crystal magnetic tunnel junction based on the full-Heusler alloy Co2FeAl and the MgO (001) tunnel barrier. From a theoretical point of view, the Heusler alloys are expected to be half-metallic. This leads to a spin polarization of 100%. Following a parallel crystallographic and magnetic study of thin Co2FeAl alloy films, we demonstrated a direct correlation between structural and magnetic anisotropies. Using these layers as magnetic electrodes, we elaborated and studied UV micro-structured crystalline magnetic tunnel junctions. Our analysis demonstrates that the spin polarized tunneling and the quality of the half-metallicity of the alloy has a clear dependence on the degree of crystallinity of the system. Beyond the purely experimental aspects, this thesis includes studies of analytical, numerical and ab-initio modeling of the magnetic and electronic properties as well as for the spin polarized transport in the studied systems and devices; La polarisation du courant de spin dans un dispositif spintronique est à l'origine des effets magnéto-résistifs qui définissent ses propriétés fonctionnelles. En général, pour polariser un courant d'électrons, celui-ci traverse soit une couche ferromagnétique métallique, soit une barrière d'oxyde magnétique. Dans le cadre de cette thèse, nous avons abordé les deux alternatives. Dans une première étape, des couches d'oxyde magnétique dilué de type TiO2 :Co ont été élaborées par pulvérisation cathodique. Leurs propriétés structurales, morphologiques et magnétiques ont été étudiées afin d'optimiser leur potentiel d'intégration dans une structure complexe de type filtre à spin. Dans une deuxième étape, nous avons réalisé et étudié des jonctions tunnel magnétiques monocristalline à base d'alliage full-Heusler Co2FeAl (qui ont une polarisation théorique de 100%) et de barrière tunnel de MgO(001). Par une étude parallèle cristallographique et magnétique, nous avons démontré la corrélation directe entre l'anisotropie structurale et les anisotropies magnétiques des couches minces d'alliage Co2FeAl. En utilisant ces couches comme des électrodes magnétiques, nous avons élaboré, micro-structuré et étudié des jonctions tunnel magnétiques cristallines. Notre analyse a démontré que le transport tunnel polarisé en spin et la qualité de la demi-métallicité de l'alliage présentent une forte dépendance du grade de cristallinité du système. Au-delà des aspects purement expérimentaux, cette thèse comporte des études de modélisation analytique, numérique et ab-initio pour les propriétés magnétiques, électroniques et de transport polarisé en spin des systèmes et dispositifs étudiés

The polarization of the spin current in a spintronic device is at the origin of magneto-resistive effects that define its functional properties. Typically, in order to spin-polarize a current of electrons two alternatives are used: the electron current crosses either a ferromagnetic metal or a magnetic oxide barrier. Within this thesis, we addressed both alternatives. In a first step, layers of TiO2 diluted magnetic oxide type doped with cobalt were prepared by sputtering. Their structural, morphological and magnetic properties were studied to optimize their potential for integration into a complex spin filter type structure.In a second step, we focused our efforts on the elaboration and the study of single-crystal magnetic tunnel junction based on the full-Heusler alloy Co2FeAl and the MgO (001) tunnel barrier. From a theoretical point of view, the Heusler alloys are expected to be half-metallic. This leads to a spin polarization of 100%. Following a parallel crystallographic and magnetic study of thin Co2FeAl alloy films, we demonstrated a direct correlation between structural and magnetic anisotropies. Using these layers as magnetic electrodes, we elaborated and studied UV micro-structured crystalline magnetic tunnel junctions. Our analysis demonstrates that the spin polarized tunneling and the quality of the half-metallicity of the alloy has a clear dependence on the degree of crystallinity of the system. Beyond the purely experimental aspects, this thesis includes studies of analytical, numerical and ab-initio modeling of the magnetic and electronic properties as well as for the spin polarized transport in the studied systems and devices; La polarisation du courant de spin dans un dispositif spintronique est à l'origine des effets magnéto-résistifs qui définissent ses propriétés fonctionnelles. En général, pour polariser un courant d'électrons, celui-ci traverse soit une couche ferromagnétique métallique, soit une barrière d'oxyde magnétique. Dans le cadre de cette thèse, nous avons abordé les deux alternatives. Dans une première étape, des couches d'oxyde magnétique dilué de type TiO2 :Co ont été élaborées par pulvérisation cathodique. Leurs propriétés structurales, morphologiques et magnétiques ont été étudiées afin d'optimiser leur potentiel d'intégration dans une structure complexe de type filtre à spin. Dans une deuxième étape, nous avons réalisé et étudié des jonctions tunnel magnétiques monocristalline à base d'alliage full-Heusler Co2FeAl (qui ont une polarisation théorique de 100%) et de barrière tunnel de MgO(001). Par une étude parallèle cristallographique et magnétique, nous avons démontré la corrélation directe entre l'anisotropie structurale et les anisotropies magnétiques des couches minces d'alliage Co2FeAl. En utilisant ces couches comme des électrodes magnétiques, nous avons élaboré, micro-structuré et étudié des jonctions tunnel magnétiques cristallines. Notre analyse a démontré que le transport tunnel polarisé en spin et la qualité de la demi-métallicité de l'alliage présentent une forte dépendance du grade de cristallinité du système. Au-delà des aspects purement expérimentaux, cette thèse comporte des études de modélisation analytique, numérique et ab-initio pour les propriétés magnétiques, électroniques et de transport polarisé en spin des systèmes et dispositifs étudiés

The discover of spin-transfer opens a new way to control the magnetization of a nanomagnet using a spin polarized current instead of a magnetic field. Many studies showed that it is particularly efficient in nanopillar spin-valves with perpendicular magnetizations. Therefore, we decided to analyse into more details the impact of a spin polarized current on these devices during this thesis. First, we were interested in a global approach of the behavior of these systems based on the understanding of their field and current phase diagrams. Comparing our experimental results with various theoretical predictions, we demonstrated that their main features are explained by a breaking of the uniaxial symmetry of the spin-valves due, for instance, to a non-perpendicular anisotropy axis or applied magnetic field. Moreover, we developed a purely energetic description of these devices allowing to understand simply the physical origin of their behavior. Then, we focused on the magnetization reversal process of these nanopillars dominated by a domain nucleation followed by a domain wall propagation. We combined for this study the analysis of a thermally activated phenomenon called telegraph noise, of phase diagrams and of micromagnetic simulations. They all lead to the conclusion that the nucleation process is well described by a Stoner-Wohlfarth behavior whereas the propagation process seems very dependent on the structure of the domain wall especially for the action of the spin-transfer.; Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du comportement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uniaxiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin.

In the last years, intensive research activity has been dedicated to iron(II)-based spin transition compounds, for a better understanding of the fundamental phenomena as within the scope of practical application. These molecular materials possess two electronic configurations, which are interchangeable by the application of an external perturbation (thermal and optic bistability). Strong electron-lattice coupling may lead to cooperative behaviour, consequently abrupt spin transitions and hysteretic behaviour at the origin of a memory effect. Understanding and controlling this property is of primary interest in fundamental and applied research. The influence of metal dilution on the photo-induced transitions in FexZn1-x(btr)2(NCS)2.H2O is investigated by X-Ray diffraction on single crystals. We suggest a microscopic model interpreting the dynamics of the phase transition (nucleation and growth mechanisms of spin-like domains) through a structural analysis of the diffraction data. The effects of nanostructuration on the physicochemical properties have been studied on the one-dimensional coordination polymer [Fe(Htrz)2trz](BF4). Different surfactant-based organized molecular systems with various structural organizations are chosen for the synthesis in confined environments: reverse micellar solutions as well as lamellar (Lalpha) and reverse hexagonal (HII) liquid crystal phases. A relationship between size and shape, microstructure and physicochemical properties is established with a specific attention to reaction dynamics in the liquid crystal phase, Ces dernières années, de nombreux travaux de recherche ont été dédiés aux matériaux moléculaires à transition de spin à base de FeII, aussi bien du point de vue de la compréhension des phénomènes fondamentaux que de la mise en forme en vue d'applications. Ces matériaux présentent deux configurations électroniques inter-commutables sous l'effet d'une perturbation extérieure (bistabilité thermique et optique). Des interactions intra- et intermoléculaires fortes au sein du réseau cristallin peuvent conférer au matériau un comportement coopératif associé à des transitions de spin abruptes et un caractère hystérétique à l'origine d'un effet mémoire. La compréhension de l'origine de la coopérativité ainsi que sa maîtrise présentent à ce jour un intérêt certain. L'effet de la dilution métallique sur les propriétés de commutation photoinduites dans les composés FexZn1-x(btr)2(NCS)2.H2O est étudié par diffraction des rayons X sur monocristal. Un modèle microscopique expliquant les différents processus mis en jeu au cours de la transition (nucléation et séparation de phase) est proposé à partir d'une analyse structurale des données. Les effets de nanostructuration sont étudiés sur le polymère de coordination unidimensionnel [Fe(Htrz)2trz](BF4). Différents milieux inverses à base de tensioactif et d'organisation structurale variée (systèmes moléculaires organisés) ont été choisis pour une synthèse en environnement confiné (milieu micellaire inverse, phase cristal liquide hexagonale inverse (HII) et lamellaire (Lalpha)). Un lien entre la taille et la morphologie des particules, leur microstructure et leurs propriétés physico-chimiques est établi. Un intérêt particulier est porté à la dynamique de la réaction en milieu cristal liquide

Spin transfer torque effects have become a research subject of high interest during the last 15 years. However, in order to probe the fundamental physics of spin transfer torque model systems are needed. For a model system it must be as simple as possible to tune the significant parameters (magnetic and structural). In this work we analyze the suitability of two materials for this need. The studied materials are amorphous Co1-xTbx alloys elaborated by sputtering and MBE grown [Co/Ni](111) superlattices. Both systems show perpendicular magnetic anisotropy (PMA), which provides a uniaxial anisotropy to the system. This anisotropy and the magnetization, which are significant parameters for many models on spin transfer torque, can be tuned in a large range of values. The origin of this PMA is discussed. The domain structure is analyzed and transport measurements are interpreted. In addition we show a strong spin polarization of the electrons close to the Fermi level by doing photoemission experiments. A small intrinsic Gilbert damping parameter [alpha] is found by FMR spectroscopy. We conclude that both materials are good candidates to be used as model systems for spin transfer torque, Les effets de transfert de spin sont devenus un sujet de recherche majeur ces quinze dernières années. Cependant, un manque de vérifications expérimentales pour beaucoup de modèles décrivant les effets de transfert de spin peut être constaté. Ceci est surtout lié à un manque de systèmes magnétiques modèles permettant un contrôle précis des paramètres pertinents utilisés dans les modèles théoriques. Dans ce travail deux systèmes magnétiques à aimantation perpendiculaire ont été analysés : les alliages amorphes de Co1-xTbx élaborés par pulvérisation cathodique et les super-réseaux [Co/Ni](111) élaborés par épitaxie par jets moléculaires. L'anisotropie et l'aimantation, qui sont des paramètres pertinents dans beaucoup de modèles sur le transfert de spin, sont variables dans une large gamme. L'origine de cette anisotropie est discutée. La structure des domaines magnétiques est analysée et les résultats des mesures de transport sont interprétés. Pour les super-réseaux [Co/Ni](111) une forte polarisation en spin au niveau de Fermi est démontrée grâce à des expériences de photo émission résolue en spin et un coefficient d'amortissement intrinsèque [alpha] très faible est trouvé. Il est conclu que les alliages amorphes de Co1-xTbx et les super-réseaux [Co/Ni](111) sont des systèmes modèles pour le transfert de spin.