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Magnetic skyrmions are nanoscale two-dimensional windings in the spin configuration of some magnetic materials subject to the Dzyaloshinskii-Moriya antisymmetric exchange interaction. They feature a non-trivial topology and show promise to be the smallest achievable magnetic textures. Very recently, magnetic skyrmions have been successfully stabilised up to room temperature by leveraging on the design of magnetic multilayer systems breaking the vertical inversion symmetry. Following up on this achievement, the main objective of this thesis is the understanding and the control of the various physical properties of skyrmions hosted by such multilayer systems. As a first approach to this objective, an original model allowing to predict the profiles adopted by multilayer skyrmions is described and then employed. This numerical model is very generic, as it exploits only the cylindrical symmetry of multilayer skyrmions, in order to determine the magnetostatic interactions with less effort. This model is further extended in order to approximate the thermal stability of multilayer skyrmions, which is key to their experimental realisation. The next aspect of this thesis consists in the experimental study of the electrical manipulation of multilayer skyrmions, demonstrating three main functionalities that are nucleation by local currents, displacement under spin currents and individual detection by transverse voltage. The third aspect of my thesis is the study of the physical properties influencing the current-induced motion of skyrmions in magnetic multilayers. A pinning behaviour is evidenced experimentally and analysed relying on micromagnetic modelling. One of the important results of this work is also the prediction of hybrid chirality for some multilayer magnetic configurations, which is then demonstrated experimentally using a synchrotron technique. The impact of hybrid chirality on current-induced skyrmion motion is discussed and leads to the optimisation of the multilayer design, resulting in the experimental observation of motion for skyrmions below 50 nm in radius at velocities reaching around 40 m/s. The last part of this thesis aims at leveraging on these theoretical and experimental advances in order to reduce the size of skyrmions at room temperature. After the analysis of the impact of dipolar interactions on skyrmion stability, the engineering of the materials and of the layers periodicity is attempted. I also investigate experimentally the conception of magnetic textures with compensated magnetization in multilayer structures known as synthetic antiferromagnets, and show that they can host antiferromagnetic skyrmions at room temperature. This last result opens up new prospects for achieving room-temperature skyrmions combining size in the single-digit nm range and high mobility, potentially allowing applications towards energy-efficient computation and storage devices with a very dense integration.; Les skyrmions magnétiques sont des enroulements bidimensionnels et nanométriques de la configuration de spin, pouvant être stabilisés dans certains matériaux magnétiques soumis à l’interaction d’échange antisymétrique Dzyaloshinskii-Moriya. Ils présentent une topologie non-triviale et s’annoncent peut-être comme étant les plus petites configurations magnétiques pouvant être réalisées. Très récemment, des skyrmions magnétiques ont pu être stabilisés à température ambiante grâce à la conception de multicouches magnétiques brisant la symétrie d’inversion selon la direction verticale. Suite à cette avancée, l’objectif central de cette thèse est la compréhension et la maîtrise des multiples propriétés physiques des skyrmions hébergés dans ces systèmes multicouches. Pour aborder cet objectif, un modèle original est décrit puis employé, permettant la prédiction des profils adoptés par les skyrmions multicouches. Ce modèle numérique est très générique, n’utilisant que la symétrie cylindrique des skyrmions afin de simplifier la détermination des interactions magnétostatiques. Ce modèle est ensuite étendu afin de pouvoir approximer la stabilité thermique des skyrmions, ce qui constitue un élément clé dans leur obtention expérimentale. Une seconde dimension de ce travail consiste en l’étude expérimentale de la manipulation électrique des skyrmions multicouches, démontrant la possibilité de trois fonctionnalités centrales que sont leur nucléation par courants locaux, leur déplacement sous courant de spin et leur détection électrique individuelle par tension transverse. Le troisième aspect de ma thèse est l’étude des propriétés physiques influençant le déplacement des skyrmions dans les multicouches magnétiques. Un comportement d’ancrage sur des défauts est mis en évidence expérimentalement et est analysé à l’aide d’une modélisation micromagnétique. Un des résultats importants de ce travail est aussi la prédiction d’une chiralité hybride dans les configurations magnétiques de certaines multicouches, qui est ensuite démontrée expérimentalement par des mesures au synchrotron. Les conséquences attendues de cette chiralité hybride sur le déplacement des skyrmions sont étudiées pour permettre l’optimisation des multicouches, aboutissant à l’observation expérimentale de la propagation de skyrmions de 50 nm de rayon à des vitesses atteignant environ 40 m/s. La dernière partie de cette thèse vise à mettre à profit ces avancées théoriques et expérimentales afin de parvenir à réduire la taille des skyrmions à température ambiante. Après avoir analysé l’impact des interactions dipolaires sur la stabilité des skyrmions, il est entrepris d’optimiser les matériaux et la périodicité des couches. Je m’intéresse aussi à la conception expérimentale de textures magnétiques dont l’aimantation est compensée au sein de structures multicouches appelées antiferromagnétiques synthétiques, dont je montre qu’elles peuvent héberger des skyrmions antiferromagnétiques à température ambiante. Ce résultat final ouvre de nouvelles perspectives vers l’obtention de skyrmions à la fois mesurant moins de 10 nm et très mobiles, qui pourraient être utilisés dans la conception de composants de calcul et de stockage d’information plus compacts et plus efficaces.

Spin transfer torque (STT) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions with ferromagnetic (F) leads are two essential underlying phenomena of modern spintronics. We present here a theoretical study of STT in antiferromagnet (AF) based tunnel junctions, where two AF metal electrodes are separated by a thin nonmagnetic insulating barrier. In particular, the behaviour of STT and TMR in epitaxial AF-based tunnel junctions is investigated using tight binding calculations in the framework of the Keldysh formalism. The spatial distribution of the STT out-of-plane component is found to be staggered, similar to the in-plane component. This behaviour is specific to the use of a tunnel barrier and significantly differs from the out-of-plane torques reported in previous works using a metallic spacer. Additionally, we show that unlike conventional ferromagnetic-based tunnel junctions, the TMR can increase with applied bias and reach values comparable to typical magnetoresistances found for usual spin valves.Next, the analysis carried out for AFs is extended to ferrimagnets (FI), for which AFs constitute simpler limiting cases. The additional magnetic complexity inherent to FI materials yields to a richer physics concerning the STT spatial behaviour in FI based tunnel junctions.Electronic structure parameters such as band widths and exchange splittings of the FI are shown to have a strong influence on STT. In particular, the STT spatial distribution within the leads exhibits a striking spin-modulated wave-like behaviour resulting from the interplay between the exchange splittings of the two FI sublattices. This wave-like behaviour can also be tuned via the applied voltage across the junction. Furthermore, the fundamental intrinsic parameter for quantifying STT characteristic lengths in FI metals is identified. This fundamental parameter can be considered as an effective exchange field in FIs, similar to the homogeneous exchange field in the F case.Finally, the STT characteristic lengths in AF materials are investigated experimentally. Here, room temperature critical depths and absorption mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 are determined by F-resonance and spin pumping. In particular, room temperature critical depths are observed to be originated from different absorption mechanisms: dephasing for Ir20Mn80 and spin flipping for Fe50Mn50., En électronique de spin, le couple de transfert de spin (STT) et la magnétorésistance tunnel (TMR) dans les jonctions tunnel magnétiques à électrodes ferromagnétiques (F) sont deux phénomènes physiques essentiels. Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique du STT dans des jonctions tunnel antiferromagnétiques (AF), où deux électrodes non-plus F mais AF sont séparées par une barrière isolante non-magnétique. Plus concrètement, les comportements du STT et de la TMR sont étudiés dans des jonctions tunnel AF cristallines, et ce, à l´aide de calculs de liaisons fortes dans le cadre du formalisme de Keldysh. Nous avons observé une distribution spatiale de la composante perpendiculaire du STT régulière et de signe alternatif, ce qui est similaire au comportement de la composante parallèle. Ces variations spatiales de la composante perpendiculaire sont cependant spécifiques à l'utilisation d'une barrière tunnel et contrastent avec les effets observés par le passé pour le cas de couches séparatrices métalliques. De plus, contrairement aux jonctions tunnel F conventionnelles, nous avons montré que la TMR peut augmenter avec la tension appliquée et atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que pour des vannes de spin usuelles : tout-métallique et à électrodes F.L´analyse effectuée pour des AF est ensuite étendue aux matériaux ferrimagnétiques (FI), pour lesquels les AF constituent, somme toute, des cas limites. La complexité magnétique additionnelle inhérente aux FI se traduit par un comportement spatial du STT beaucoup plus riche dans les jonctions tunnel FI. Nous observons notamment que les paramètres électroniques tels que les largeurs et les décalages de bandes ont une très forte influence sur le STT. Plus particulièrement, la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux des deux sous-réseaux du FI donne lieu à une distribution spatiale du STT ondulatoire qui est modulée par la densité locale de spin. Il est possible d'ajuster cet effet en jouant sur la tension appliquée aux bornes de la jonction tunnel FI. Nous trouvons de plus que la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux constitue un paramètre fondamental pour la quantification des longueurs caractéristiques du STT dans les FIs. Ce paramètre peut être considéré comme un champ d´échange effectif, par similitude avec le cas usuel des Fs qui présentent un champ d´échange homogène.Pour finir, nous avons sondé expérimentalement les longueurs caractéristiques du STT dans des AFs. Pour de l'Ir20Mn80 et du Fe50Mn50, nous avons déterminé les longueurs de pénétration de spin et les mécanismes d'absorption de courants de spin à température ambiante en utilisant la résonance F et le pompage de spin. Plus précisément, nous avons associé les profondeurs de pénétration critiques à deux mécanismes d'absorption distincts: du déphasage pour l´Ir20Mn80 et du retournement de spin pour le Fe50Mn50.

Spin transfer torque (STT) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions with ferromagnetic (F) leads are two essential underlying phenomena of modern spintronics. We present here a theoretical study of STT in antiferromagnet (AF) based tunnel junctions, where two AF metal electrodes are separated by a thin nonmagnetic insulating barrier. In particular, the behaviour of STT and TMR in epitaxial AF-based tunnel junctions is investigated using tight binding calculations in the framework of the Keldysh formalism. The spatial distribution of the STT out-of-plane component is found to be staggered, similar to the in-plane component. This behaviour is specific to the use of a tunnel barrier and significantly differs from the out-of-plane torques reported in previous works using a metallic spacer. Additionally, we show that unlike conventional ferromagnetic-based tunnel junctions, the TMR can increase with applied bias and reach values comparable to typical magnetoresistances found for usual spin valves.Next, the analysis carried out for AFs is extended to ferrimagnets (FI), for which AFs constitute simpler limiting cases. The additional magnetic complexity inherent to FI materials yields to a richer physics concerning the STT spatial behaviour in FI based tunnel junctions.Electronic structure parameters such as band widths and exchange splittings of the FI are shown to have a strong influence on STT. In particular, the STT spatial distribution within the leads exhibits a striking spin-modulated wave-like behaviour resulting from the interplay between the exchange splittings of the two FI sublattices. This wave-like behaviour can also be tuned via the applied voltage across the junction. Furthermore, the fundamental intrinsic parameter for quantifying STT characteristic lengths in FI metals is identified. This fundamental parameter can be considered as an effective exchange field in FIs, similar to the homogeneous exchange field in the F case.Finally, the STT characteristic lengths in AF materials are investigated experimentally. Here, room temperature critical depths and absorption mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 are determined by F-resonance and spin pumping. In particular, room temperature critical depths are observed to be originated from different absorption mechanisms: dephasing for Ir20Mn80 and spin flipping for Fe50Mn50.; En électronique de spin, le couple de transfert de spin (STT) et la magnétorésistance tunnel (TMR) dans les jonctions tunnel magnétiques à électrodes ferromagnétiques (F) sont deux phénomènes physiques essentiels. Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique du STT dans des jonctions tunnel antiferromagnétiques (AF), où deux électrodes non-plus F mais AF sont séparées par une barrière isolante non-magnétique. Plus concrètement, les comportements du STT et de la TMR sont étudiés dans des jonctions tunnel AF cristallines, et ce, à l´aide de calculs de liaisons fortes dans le cadre du formalisme de Keldysh. Nous avons observé une distribution spatiale de la composante perpendiculaire du STT régulière et de signe alternatif, ce qui est similaire au comportement de la composante parallèle. Ces variations spatiales de la composante perpendiculaire sont cependant spécifiques à l'utilisation d'une barrière tunnel et contrastent avec les effets observés par le passé pour le cas de couches séparatrices métalliques. De plus, contrairement aux jonctions tunnel F conventionnelles, nous avons montré que la TMR peut augmenter avec la tension appliquée et atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que pour des vannes de spin usuelles : tout-métallique et à électrodes F.L´analyse effectuée pour des AF est ensuite étendue aux matériaux ferrimagnétiques (FI), pour lesquels les AF constituent, somme toute, des cas limites. La complexité magnétique additionnelle inhérente aux FI se traduit par un comportement spatial du STT beaucoup plus riche dans les jonctions tunnel FI. Nous observons notamment que les paramètres électroniques tels que les largeurs et les décalages de bandes ont une très forte influence sur le STT. Plus particulièrement, la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux des deux sous-réseaux du FI donne lieu à une distribution spatiale du STT ondulatoire qui est modulée par la densité locale de spin. Il est possible d'ajuster cet effet en jouant sur la tension appliquée aux bornes de la jonction tunnel FI. Nous trouvons de plus que la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux constitue un paramètre fondamental pour la quantification des longueurs caractéristiques du STT dans les FIs. Ce paramètre peut être considéré comme un champ d´échange effectif, par similitude avec le cas usuel des Fs qui présentent un champ d´échange homogène.Pour finir, nous avons sondé expérimentalement les longueurs caractéristiques du STT dans des AFs. Pour de l'Ir20Mn80 et du Fe50Mn50, nous avons déterminé les longueurs de pénétration de spin et les mécanismes d'absorption de courants de spin à température ambiante en utilisant la résonance F et le pompage de spin. Plus précisément, nous avons associé les profondeurs de pénétration critiques à deux mécanismes d'absorption distincts: du déphasage pour l´Ir20Mn80 et du retournement de spin pour le Fe50Mn50.

This thesis is focused on the preparation and microstructural / magnetic characterization of exchange-biased Fe/Mn multilayers. The structural characterization was performed by transmission electron microscopy, which enabled the structures to be identified as α-Fe and α-Mn. It also evidenced the evolution of roughness at the interfaces as a function of the deposition temperature. Atom probe tomography allowed a local analysis of the interfaces. The linear concentration profiles obtained revealed an asymmetry of the Fe/Mn and Mn/Fe interfaces as well as the formation of an Fe-Mn alloy with a modulated concentration at the interfaces. It was found that the width of the Fe/Mn interface increases with increasing deposition temperature. Mössbauer spectroscopy measurements probed the local environment of Fe atoms. The Fe-rich areas are ferromagnetic with a hyperfine field distribution reflecting the modulated composition, and the Mn-rich areas are antiferromagnetic with a Néel temperature very close to that of α-Mn. The magnetic characterization was carried out primarily by SQUID magnetometry, which allows the net magnetization, exchange field and coercive field to be determined. Besides, the magnetization depth profiles were obtained by polarized neutron reflectometry which identified two types of Fe layers, and showed the influence of the growth temperature on the coercive field., Ce travail de thèse a pour but l'élaboration et la caractérisation microstructurale / magnétique de systèmes multicouches Fe/Mn présentant un couplage d'échange anisotrope. La caractérisation structurale a été effectuée par microscopie électronique en transmission, ce qui a permis d'identifier les structures α-Fe et α-Mn ainsi que l'évolution de la rugosité aux interfaces avec la température de dépôt. Les analyses en sonde atomique tomographique ont permis d'obtenir une analyse locale des interfaces. Les profils linéaires de concentration obtenus ont révélé une asymétrie des interfaces Fe/Mn et Mn/Fe avec la formation de mélange Fe-Mn à concentration modulée aux interfaces, ainsi qu'une augmentation de la largeur de l'interface Fe/Mn avec la température de dépôt. Les mesures de spectroscopie Mössbauer ont permis d'identifier l'environnement local des atomes de Fe. Les zones riches en Fe sont ferromagnétiques avec une distribution de champ hyperfin reflétant la composition modulée, et les zones riches en Mn sont antiferromagnétiques avec une température de Néel sensiblement proche de celle du α-Mn. La caractérisation magnétique a été effectuée dans un premier lieu par magnétométrie à SQUID, ce qui a permis de déterminer l'évolution de l'aimantation globale des échantillons, le champ de d'échange et le champ coercitif. Par ailleurs, les profils d'aimantation en profondeur ont été obtenus par réflectométrie de neutrons polarisés, ce qui a permis d'identifier deux types de couches de Fe, ainsi que l'influence de la température d'élaboration sur le champ coercitif.

This thesis is devoted to the correlation of the structural properties at the atomic scale with the magnetic properties of (Pt/Co)3/Pt /IrMn multilayers with perpendicular exchange bias. Such multilayers are used in spintronics. A particular attention has been devoted to the structural characterization of the Co/IrMn interface. This interface plays a determining role in the exchange bias phenomenon, characterized by the exchange bias field HE . Investigation at the nanostructural scale has been carried out using atom probe tomography. Magnetic measurements were performed with a SQUID magnetometer. The results of magnetic measurements show that the insertion of a Pt spacer at the Co/IrMn interface increases HE for the multilayer in which the thickness of the Co layers (tCo ) is 0.4 nm, but decreases HE for the multilayer with tCo = 0.6 nm. Nanostructural analyses showed that in the absence of the spacer and for tCo =0.4 nm, Ir and Mn diffuse within the whole Co layer onto which the IrMn layer was deposited, while for tCo = 0.6 nm the Ir and Mn diffusion is much more reduced. On the other hand, whatever the thickness of the Co layer, the spacer reduces the Ir and Mn diffusion, thus acting as a diffusion barrier. Consequently, for multilayers with tCo = 0.4 nm, the spacer limits the interdiffusion at the Co/IrMn interface, leading to an increase of HE . The Ir and Mn diffusion in the Co layer being limited for the multilayer with tCo = 0.6 nm, the spacer moves away the Co spins from the Mn spins, leading to a decrease of HE .; Ce travail de thèse est consacré à la corrélation entre propriétés structurales à l'échelle atomique et propriétés magnétiques de multicouches (Pt/Co)3/Pt /IrMn à anisotropie d'échange perpendiculaire. Ces multicouches sont utilisées dans le domaine de l'électronique de spin. Une attention particulière a été portée à la caractérisation nanostructurale de l'interface Co/IrMn, cette interface jouant un rôle prédominant dans le phénomène d'anisotropie d'échange, caractérisée par le champ d'échange HE. L'étude structurale, réalisée principalement en sonde atomique tomographique a permis de révéler la structure des multicouches étudiées dont certaines couches sont d'épaisseur sub-nanométrique. Les résultats des mesures magnétiques ont montré que l'insertion d'une couche mince (spacer) de Pt à l'interface Co/IrMn augmente les valeurs de HE pour la multicouche dont l'épaisseur des couches de Co est tCo = 0,4 nm, mais diminue HE lorsque tCo = 0,6 nm. Les analyses nanostructurales montrent qu'en l'absence du spacer et pour tCo =0,4 nm, les atomes d'Ir et de Mn diffusent dans toute l'épaisseur de la couche de Co sur laquelle repose la couche IrMn alors que pour tCo = 0,6 nm la diffusion de ces atomes est beaucoup plus réduite. Quelle que soit l'épaisseur de la couche de Co, la présence du spacer réduit très fortement la diffusion d'Ir et de Mn, montrant ainsi que le spacer agit comme une barrière de diffusion. Pour tCo =0,4 nm, l'ajout du spacer, en limitant très fortement l'interdiffusion à l'interface entraîne l'augmentation de HE . Pour tCo =0,6 nm, la diffusion étant limitée, l'ajout d'un spacer entraîne une diminution de HE en raison de l'éloignement des spins de Co et Mn.

This thesis is devoted to the correlation of the structural properties at the atomic scale with the magnetic properties of (Pt/Co)3/Pt /IrMn multilayers with perpendicular exchange bias. Such multilayers are used in spintronics. A particular attention has been devoted to the structural characterization of the Co/IrMn interface. This interface plays a determining role in the exchange bias phenomenon, characterized by the exchange bias field HE . Investigation at the nanostructural scale has been carried out using atom probe tomography. Magnetic measurements were performed with a SQUID magnetometer. The results of magnetic measurements show that the insertion of a Pt spacer at the Co/IrMn interface increases HE for the multilayer in which the thickness of the Co layers (tCo ) is 0.4 nm, but decreases HE for the multilayer with tCo = 0.6 nm. Nanostructural analyses showed that in the absence of the spacer and for tCo =0.4 nm, Ir and Mn diffuse within the whole Co layer onto which the IrMn layer was deposited, while for tCo = 0.6 nm the Ir and Mn diffusion is much more reduced. On the other hand, whatever the thickness of the Co layer, the spacer reduces the Ir and Mn diffusion, thus acting as a diffusion barrier. Consequently, for multilayers with tCo = 0.4 nm, the spacer limits the interdiffusion at the Co/IrMn interface, leading to an increase of HE . The Ir and Mn diffusion in the Co layer being limited for the multilayer with tCo = 0.6 nm, the spacer moves away the Co spins from the Mn spins, leading to a decrease of HE ., Ce travail de thèse est consacré à la corrélation entre propriétés structurales à l'échelle atomique et propriétés magnétiques de multicouches (Pt/Co)3/Pt /IrMn à anisotropie d'échange perpendiculaire. Ces multicouches sont utilisées dans le domaine de l'électronique de spin. Une attention particulière a été portée à la caractérisation nanostructurale de l'interface Co/IrMn, cette interface jouant un rôle prédominant dans le phénomène d'anisotropie d'échange, caractérisée par le champ d'échange HE. L'étude structurale, réalisée principalement en sonde atomique tomographique a permis de révéler la structure des multicouches étudiées dont certaines couches sont d'épaisseur sub-nanométrique. Les résultats des mesures magnétiques ont montré que l'insertion d'une couche mince (spacer) de Pt à l'interface Co/IrMn augmente les valeurs de HE pour la multicouche dont l'épaisseur des couches de Co est tCo = 0,4 nm, mais diminue HE lorsque tCo = 0,6 nm. Les analyses nanostructurales montrent qu'en l'absence du spacer et pour tCo =0,4 nm, les atomes d'Ir et de Mn diffusent dans toute l'épaisseur de la couche de Co sur laquelle repose la couche IrMn alors que pour tCo = 0,6 nm la diffusion de ces atomes est beaucoup plus réduite. Quelle que soit l'épaisseur de la couche de Co, la présence du spacer réduit très fortement la diffusion d'Ir et de Mn, montrant ainsi que le spacer agit comme une barrière de diffusion. Pour tCo =0,4 nm, l'ajout du spacer, en limitant très fortement l'interdiffusion à l'interface entraîne l'augmentation de HE . Pour tCo =0,6 nm, la diffusion étant limitée, l'ajout d'un spacer entraîne une diminution de HE en raison de l'éloignement des spins de Co et Mn.

This thesis aimed at the elaboration by epitaxy and the characterization of devices designed for spintronic applications: magnetic tunnel junctions (FePt/MgO/FePt) and hybrid heterostructures ferromagnetic metal / semiconductor III-V (FePt/MgO/GaAs). In both cases we used MgO as an insulating barrier and FePt ferromagnetic electrodes with magnetization perpendicular to the surface plane (the L10 ordered alloy). This ferromagnetic material has been chosen for the purpose of creating future magnetic memories because its large anisotropy enables a stable magnetic information.Different magnetic behaviors have been shown for each of the two electrodes of the magnetic tunnel junctions. Structural characterizations of the system performed during the growth process led us to attribute this effect to the epitaxial strain of the thin films. Surprisingly at first sight, the magnetic decoupling of the system is not guaranteed in the general case because of the strong magnetization of the ferromagnetic layers that induces a strong stray field during the magnetization reversals. We also were able to deduce, by experiments and calculations, the influence of the thickness of the electrodes on the general magnetic properties of the device. Studies of magnetization reversal dynamics have shed some light on the key role played by the pinning of the domain walls during the magnetization reversals.All-epitaxial FePt/MgO/GaAs hybrid systems were elaborated by combining different deposition chambers. We managed to grow systems exhibiting the desired structural and magnetic properties., Le sujet de cette thèse est l'élaboration par épitaxie et la caractérisation de dispositifs pour l'électronique de spin, à savoir une jonction tunnel magnétique (FePt/MgO/FePt) et une hétérostructure hybride métal ferromagnétique / semiconducteur III-V (FePt/MgO/GaAs). L'approche retenue dans les deux cas a été l'utilisation d'une barrière isolante MgO et d'électrodes ferromagnétiques présentant une aimantation perpendiculaire au plan de la couche, réalisées en alliage ordonné FePt (phase L10) ; le choix de ce matériau a été adopté dans l'optique de créer des mémoires magnétiques, sa forte anisotropie permettant de stabiliser l'information magnétique.Dans le cas des jonctions tunnel magnétiques, une singularisation des propriétés magnétiques de chacune des électrodes a été mise en évidence. Des caractérisations structurales du système en cours de croissance ont permis de relier ce phénomène aux contraintes épitaxiales des films minces. De façon apparemment surprenante, le découplage magnétique du dispositif n'est pas assuré dans le cas général, la forte aimantation des électrodes étant à l'origine d'un champ de fuite très important lors des renversements d'aimantation. Nous avons mis en évidence (expérimentalement et analytiquement) un effet d'épaisseur des couches influant sur le comportement magnétique général du système. Des mesures de dynamique de renversement d'aimantation ont souligné le rôle prépondérant du piégeage des parois de domaine lors des renversements d'aimantation.Les systèmes hybrides FePt/MgO/GaAs ont été élaborés en tout-épitaxie en combinant différents bâtis de dépôt. Nous avons montré la faisabilité d'un système présentant de très bonnes propriétés structurales et magnétiques.

In this document, I use some results of my research activities of the last ten years to show the power of x-ray magnetic dichroism for determining magnetic properties of thin layers, multilayers and nanostructures. The use of sum rules for x-ray dichroism allows a quantitative determination of the spin and orbital contributions to the magnetic moment, for each element of a heterogeneous material separately.Used in a qualitative way, x-ray dichroism allows monitoring the magnetization of the different layers in a multilayer as a function of applied field. In combination with the temporal structure of synchrotron radiation, it is possible to study fast magnetization reversal with element selectivity, which is important for devices like spin valves and magnetic tunnel junctions. Adding the spatial resolution of a photoelectron emission microscope (PEEM), it becomes possible to study all the details of the fast magnetization reversal in complex magnetic systems., Dans ce document, j'utilise des résultats de ma recherche des dix dernières années pour montrer que le dichroïsme magnétique des rayons x est une technique puissante pour déterminer les propriétés magnétiques des couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques. L'utilisation de règles de somme pour le dichroïsme permet de déterminer quantitativement les contributions orbitale et de spin au moment magnétique, et ceci séparément pour chaque élément dans un matériau hétérogène.Utilisé de façon qualitative, le dichroïsme permet de suivre l'aimantation de différentes couches d'une multicouche en fonction du champ appliqué. En combinaison avec la structure temporelle du rayonnement synchrotron, il est possible d'étudier le renversement rapide de l'aimantation avec sélectivité chimique, ce qui est important pour les dispositifs comme les vannes de spin et les jonctions tunnel magnétiques. En ajoutant la résolution spatiale d'un microscope électronique comme le PEEM, il devient possible d'étudier tous les détails du renversement rapide dans les systèmes magnétiques complexes.

In this document, I use some results of my research activities of the last ten years to show the power of x-ray magnetic dichroism for determining magnetic properties of thin layers, multilayers and nanostructures. The use of sum rules for x-ray dichroism allows a quantitative determination of the spin and orbital contributions to the magnetic moment, for each element of a heterogeneous material separately.Used in a qualitative way, x-ray dichroism allows monitoring the magnetization of the different layers in a multilayer as a function of applied field. In combination with the temporal structure of synchrotron radiation, it is possible to study fast magnetization reversal with element selectivity, which is important for devices like spin valves and magnetic tunnel junctions. Adding the spatial resolution of a photoelectron emission microscope (PEEM), it becomes possible to study all the details of the fast magnetization reversal in complex magnetic systems.; Dans ce document, j'utilise des résultats de ma recherche des dix dernières années pour montrer que le dichroïsme magnétique des rayons x est une technique puissante pour déterminer les propriétés magnétiques des couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques. L'utilisation de règles de somme pour le dichroïsme permet de déterminer quantitativement les contributions orbitale et de spin au moment magnétique, et ceci séparément pour chaque élément dans un matériau hétérogène.Utilisé de façon qualitative, le dichroïsme permet de suivre l'aimantation de différentes couches d'une multicouche en fonction du champ appliqué. En combinaison avec la structure temporelle du rayonnement synchrotron, il est possible d'étudier le renversement rapide de l'aimantation avec sélectivité chimique, ce qui est important pour les dispositifs comme les vannes de spin et les jonctions tunnel magnétiques. En ajoutant la résolution spatiale d'un microscope électronique comme le PEEM, il devient possible d'étudier tous les détails du renversement rapide dans les systèmes magnétiques complexes.

Magnetic skyrmions are nanoscale two-dimensional windings in the spin configuration of some magnetic materials subject to the Dzyaloshinskii-Moriya antisymmetric exchange interaction. They feature a non-trivial topology and show promise to be the smallest achievable magnetic textures. Very recently, magnetic skyrmions have been successfully stabilised up to room temperature by leveraging on the design of magnetic multilayer systems breaking the vertical inversion symmetry. Following up on this achievement, the main objective of this thesis is the understanding and the control of the various physical properties of skyrmions hosted by such multilayer systems. As a first approach to this objective, an original model allowing to predict the profiles adopted by multilayer skyrmions is described and then employed. This numerical model is very generic, as it exploits only the cylindrical symmetry of multilayer skyrmions, in order to determine the magnetostatic interactions with less effort. This model is further extended in order to approximate the thermal stability of multilayer skyrmions, which is key to their experimental realisation. The next aspect of this thesis consists in the experimental study of the electrical manipulation of multilayer skyrmions, demonstrating three main functionalities that are nucleation by local currents, displacement under spin currents and individual detection by transverse voltage. The third aspect of my thesis is the study of the physical properties influencing the current-induced motion of skyrmions in magnetic multilayers. A pinning behaviour is evidenced experimentally and analysed relying on micromagnetic modelling. One of the important results of this work is also the prediction of hybrid chirality for some multilayer magnetic configurations, which is then demonstrated experimentally using a synchrotron technique. The impact of hybrid chirality on current-induced skyrmion motion is discussed and leads to the optimisation of the multilayer design, resulting in the experimental observation of motion for skyrmions below 50 nm in radius at velocities reaching around 40 m/s. The last part of this thesis aims at leveraging on these theoretical and experimental advances in order to reduce the size of skyrmions at room temperature. After the analysis of the impact of dipolar interactions on skyrmion stability, the engineering of the materials and of the layers periodicity is attempted. I also investigate experimentally the conception of magnetic textures with compensated magnetization in multilayer structures known as synthetic antiferromagnets, and show that they can host antiferromagnetic skyrmions at room temperature. This last result opens up new prospects for achieving room-temperature skyrmions combining size in the single-digit nm range and high mobility, potentially allowing applications towards energy-efficient computation and storage devices with a very dense integration.; Les skyrmions magnétiques sont des enroulements bidimensionnels et nanométriques de la configuration de spin, pouvant être stabilisés dans certains matériaux magnétiques soumis à l’interaction d’échange antisymétrique Dzyaloshinskii-Moriya. Ils présentent une topologie non-triviale et s’annoncent peut-être comme étant les plus petites configurations magnétiques pouvant être réalisées. Très récemment, des skyrmions magnétiques ont pu être stabilisés à température ambiante grâce à la conception de multicouches magnétiques brisant la symétrie d’inversion selon la direction verticale. Suite à cette avancée, l’objectif central de cette thèse est la compréhension et la maîtrise des multiples propriétés physiques des skyrmions hébergés dans ces systèmes multicouches. Pour aborder cet objectif, un modèle original est décrit puis employé, permettant la prédiction des profils adoptés par les skyrmions multicouches. Ce modèle numérique est très générique, n’utilisant que la symétrie cylindrique des skyrmions afin de simplifier la détermination des interactions magnétostatiques. Ce modèle est ensuite étendu afin de pouvoir approximer la stabilité thermique des skyrmions, ce qui constitue un élément clé dans leur obtention expérimentale. Une seconde dimension de ce travail consiste en l’étude expérimentale de la manipulation électrique des skyrmions multicouches, démontrant la possibilité de trois fonctionnalités centrales que sont leur nucléation par courants locaux, leur déplacement sous courant de spin et leur détection électrique individuelle par tension transverse. Le troisième aspect de ma thèse est l’étude des propriétés physiques influençant le déplacement des skyrmions dans les multicouches magnétiques. Un comportement d’ancrage sur des défauts est mis en évidence expérimentalement et est analysé à l’aide d’une modélisation micromagnétique. Un des résultats importants de ce travail est aussi la prédiction d’une chiralité hybride dans les configurations magnétiques de certaines multicouches, qui est ensuite démontrée expérimentalement par des mesures au synchrotron. Les conséquences attendues de cette chiralité hybride sur le déplacement des skyrmions sont étudiées pour permettre l’optimisation des multicouches, aboutissant à l’observation expérimentale de la propagation de skyrmions de 50 nm de rayon à des vitesses atteignant environ 40 m/s. La dernière partie de cette thèse vise à mettre à profit ces avancées théoriques et expérimentales afin de parvenir à réduire la taille des skyrmions à température ambiante. Après avoir analysé l’impact des interactions dipolaires sur la stabilité des skyrmions, il est entrepris d’optimiser les matériaux et la périodicité des couches. Je m’intéresse aussi à la conception expérimentale de textures magnétiques dont l’aimantation est compensée au sein de structures multicouches appelées antiferromagnétiques synthétiques, dont je montre qu’elles peuvent héberger des skyrmions antiferromagnétiques à température ambiante. Ce résultat final ouvre de nouvelles perspectives vers l’obtention de skyrmions à la fois mesurant moins de 10 nm et très mobiles, qui pourraient être utilisés dans la conception de composants de calcul et de stockage d’information plus compacts et plus efficaces.