Des progrès importants ont été faits dans la compréhension de la technique de réflectivité de neutrons polarisés avec analyse de polarisation à la fois sur le plan théorique (effets d'énergie Zeeman) et expérimental (polarisation des faisceaux). Nous avons montré que la modélisation des expériences de réflectivité et leur simulation numérique permet de se dispenser de mesurer systématiquement l'ensemble des courbes de réflectivité pour chaque condition de champ et de température. Pour un système de bicouches magnétiques, il a été possible d'obtenir des informations magnétiques résolues en profondeur en fonction du champ magnétique appliqué grâce à quelques points expérimentaux de l'espace réciproque. Cette technique permet de réduire considérablement les temps d'expérience. Dans des systèmes de couches simples de nickel, nous avons montré qu'il est possible d'induire des inhomogénéités de rotation de l'aimantation lorsque ces systèmes sont soumis à des contraintes de déformation. Ces effets sont liés à des gradients de constante magnéto-élastique (ME). Dans des systèmes de tricouches à constante ME modulée nous avons pu induire des gradients de rotation d'aimantation importants. Une nouvelle technique magnéto-optique de mesure de la direction de l'aimantation dans des films minces sans rotation du champ magnétique extérieur appliqué a été démontrée. Le champ d'utilisation de la réflectivité de neutrons a été étendu au domaine non spéculaire. Il a été possible de rendre compte quantitativement de la diffusion hors spéculaire sur des systèmes 2D modèles de réseaux lithographiés. Cette nouvelle technique permettra à moyen terme de déterminer quantitativement l'aimantation de structures magnétiques avec une résolution non seulement en profondeur mais aussi latéralement dans le plan des couches magnétiques.

This thesis illustrates the use of various neutron surface scattering techniques applied to the study of magnetic nanostructures.

La procédé STI (« Shallow Trench Isolation ») est couramment utilisé dans la microélectronique afin d'isoler électriquement les dispositifs entre eux. Les nombreuses étapes de ce procédé engendrent des contraintes mécaniques très importantes qui peuvent nuire à la fiabilité. L'originalité de la diffraction X haute résolution est d'utiliser l'intensité diffractée par le silicium déformé périodiquement comme empreinte du champ de déformation locale. Les mesures ont porté sur des structures de période allant de 2 µm à 200 nm, avec des lignes de silicium de largeur inférieure à 100 nm pour les plus petites périodes. Pour les échantillons de période submicronique, un second pic de diffraction apparaît sur les cartographies du réseau réciproque. Ce pic est attribué à une déformation homogène du silicium entre les tranchées et permet une mesure directe et sans modèle des déformations. L'effet sur les déformations et les contraintes de variations géométriques et de procédé ont été ainsi étudiées. Cette méthode expérimentale s'appuie sur des simulations numériques par éléments finis.

For almost forty years our comprehension of the metallic behavior in many materials has been founded on the Landau physical intuition about interacting Fermi systems. The idea of Landau, that interacting fermions could be regarded as free particles with renormalized parameters, is at the basis of the standard picture of the solids in terms of single independent electrons delocalized throughout the systems. The extraordinary success of this scenario is demonstrated by the impressive number of predictions and results, on which has root a large part of the actual technology.<br />The Fermi-liquid concept has been also extended to systems showing a strong electron-electron interaction, i.e. strongly correlated electrons systems. Under suitable conditions the low temperature metallic properties of these systems can be interpreted in terms of renormalized quasiparticles.<br /><br /> Nevertheless, recent experiments on some strongly correlated materials have shown remarkable deviations from the Fermi liquid predictions concerning different physical observables, such as specific heat C, resistivity ρ or susceptibility χ. The theoretical understanding of the breakdown of the Fermi liquid paradigm observed heavy fermion systems or in high Tc superconductors is one of the open challenges in the correlated electrons physics. Many ideas have been put forward to explain the observed non-Fermi liquid behavior, without finding an absolute consensus so far. Among them we can distinguish three main directions: overscreening in Kondo models, Kondo disorder and quantum criticality.<br /> <br /> A common feature can be recognized among some of these ideas, namely the existence of a physical mechanism pushing to zero the coherence temperature below which the Fermi liquid forms. In one case (Kondo disorder) this mechanism is associated to the presence of a certain degree of disorder. However, a more widely accepted mechanism for the formation of a non-Fermi liquid state is the proximity to a quantum phase transition (QPT) or to a quantum critical point (QCP). Within this scenario the breakdown of the Fermi liquid properties occurs in the neighborhood of T = 0 transition between a magnetically ordered phase (e.g. antiferromagnetic) and a paramagnetic one. In this regime the strong coupling between the fluctuations of the order parameter and the electrons may prevent the formation of a Fermi liquid phase with long-lived quasiparticles.<br /><br />Among the different approach to non-Fermi liquid problem based on quantum criticality we can mention the Hertz-Millis theory, where the paramagnons of the ordered phase “dress” the conduction electrons to produce the NFL behavior. Another approach is the local quantum critical theory, in which the competition between local Kondo screening and long wavelength magnetic fluctuations drives the system into a critical regime where non-Fermi liquid properties can arise. This approach is based on a suitable extension of the dynamical mean-field theory. However, local quantum criticality, even providing useful insights to the non-Fermi liquid problem, recquires some simplifying approximations to solve the mean-field equations, spoiling DMFT approach of many of its benefits. Dynamical Mean Field Theory is a powerful theoretical tool to investigate strongly correlated electrons systems. Among other things, this method has permitted to obtain a satisfactory description of the Mott metal-insulator transition in simplified models, such as Hubbard. Lately, the application to realistic calculations, thru an ab-initio plus<br />DMFT algorithm, has greatly increased our knowledge about real materials.<br /><br /> At the heart of the DMFT approach are the simplifications on the lattice quantum many-body problem arising in the limit of infinite dimension. These simplifications permit to map the lattice problem onto an effective single impurity problem, that has to be solved in a<br />self-consistent way. In this respect DMFT can be considered as the quantum generalization of the classic mean-field theory, introduced so far to deal with spin models.<br /> <br />In this thesis we shall show that a new approach to the heavy fermions physics can be based on the DMFT solution of one of the canonical model of this area, namely the periodic Anderson<br />model. In particular we demonstrate that, contrary to conventional expectations, a non-Fermi liquid state is readily obtained from this model within the DMFT framework. In agreement with the quantum criticality scenario, this novel NFL state is located in the neighborhood of a quantum phase transition, but unlike the standard quantum criticality scenario sketched before, the relevant quantum transition here is a Mott transition. Thus, the present study sheds a different light onto the NFL problem, showing that the coupling to long wavelength magnetic fluctuations (absent in DMFT) is not a prerequisite for the realization of a NFL scenario. Local temporal magnetic fluctuations alone can provide sufficient scattering to produce an incoherent metallic state. The presence of such large local magnetic fluctuations in our model has origin in<br />the competition between magnetic interactions, namely the super-exchange antiferromagnetic interaction between the correlated electrons and the ferromagnetic interaction indirectly driven<br />by the delocalization of the doped charges. Thus, we are able to obtain a DMFT description of the non-Fermi liquid phase in heavy<br />fermion systems which is based on the proximity to a Mott point, i.e. Mottness scenario. Our study shows that the PAM, solved within DMFT, may be considered as a “bare bones” or min-<br />imal approach able to capture the physical scenario for the formation of a NFL state and that is in qualitative agreement with some observed phenomenology in heavy fermion systems.

Les médias discrets, constitués de bit géométriquement isolés par des étapes de nanostructuration, sont vus comme l'alternative aux médias de stockage magnétiques continus dans le but d'accroitre les densités de stockage au delà de 1 Tbit/in². Ils permettent en effet de repousser la limite superparamagnétique qui apparaît dans les couches de stockage classiques vers 300 Gb/in². Pour que la technologie discrète soit implentée à l'échelle industrielle, la réplication de nanostructures sub-50nm sur de larges surfaces à haut rendemant et à bas coût doit être possible. Dans notre approche, appelée “médias pré-gravés”, des pistes de plots sub-100nm isolées ont été fabriquées par nano-impresssion dans le Si. Cette étape de fabrication était suivie d'une étape de dépôt de multicouches Co/Pt qui ont la particularité de présenter une anisotropie perpendiculaire au plan. Les performances à l'enregistrement ont été étudiées grâce à un testeur quasistatique, muni de têtes de lecture écriture commerciales, développé par nos soins. Des bits de différentes longueurs (BL), c-à-d comprenant un nombre variable de plots, ont été écrits sur ces médias discrets. Les conditions de synchronisation requises pour l'écriture des bits ont été analysées le long des pistes. Il est nécessaire dans ce type de média que les impulsions de champ d'écriture coincident parfaitement avec la position géométrique des plots. Ces tests ont révélé “une fenêtre d'écriture” significative d'environ la moitié de la période du bit. Le rapport signal sur bruit (SNR) a été calculé, en évaluant les coefficients de corrélation entre des séquences de bits pseudo-aléatoires écrites périodiquement (PRBS). Nous avons montré que les sources principales de bruit sont les fluctuations de taille des bits, l'amplitude du signal magnétique et le bruit jitter dû au processus de réplication du substrat.

Cette thèse comporte deux parties. L'objectif de la première partie était l'implémentation d'une méthode de résolution de l'équation dynamique de Landau-Lifshitz-Gilbert fondée sur l'approximation des éléments finis. Deux approches ont été présentées: la première reposant sur une formulation avec contrainte et la seconde mettant en œuvre des fonctions tests dans le plan tangent à l'aimantation. Seule la seconde approche reproduit la dynamique obtenue en différences finies sur des cas tests. Dans la seconde partie, le but était d'étudier le déplacement de parois de domaines magnétiques sous l'effet d'un champ magnétique ou d'un courant polarisé en spin dans des systèmes à anisotropie perpendiculaire. Il a été nécessaire d'introduire dans l'équation dynamique les termes dus au transfert de spin. Des systèmes idéaux et des systèmes avec différents types de défauts ont été étudiés. Les résultats numériques ont été comparés avec les données expérimentales disponibles.

La grande surface développée du silicium poreux fait de lui un hôte potentiel pour l'incorporation de molécules organiques. Les nanocomposites hybrides à base de molécules conjuguées luminescentes pourraient se prêter à des applications en optoélectronique.<br />L'étude comprend deux parties : la première est consacrée à l'étude morphologique et optique des couches minces et des membranes auto-supportées de silicium poreux fabriquées au laboratoire en utilisant la microscopie électronique, l'ellipsométrie spectroscopique et l'absorption. L'analyse microstructurale des couches poreuses par diffusion Raman nous a permis d'estimer la distribution de tailles des nanocristallites via le modèle de confinement des phonons et de confirmer l'absence de porteurs de charges libres. Une étude de Raman polarisé sur des membranes poreuses libres permet de sonder les inhomogénéités de propagation de la lumière dans ce milieu.<br />La seconde partie présente les études concernant l'imprégnation de molécules fluorescentes dans les pores. La photoluminescence donne un moyen de vérifier l'efficacité de l'incorporation de molécule de Rodhamine R6G et son homogénéité. L'excitation sélective permet une approche des transferts d'énergie entre les deux matériaux. La photoluminescence résolue en temps montre que la présence de la R6G crée de nouveaux canaux de désexcitation non radiative.<br />Le THD est incorporé dans des membranes libres rendues organophiles, puis polymérise spontanément in situ en son poly-Diacétylène. La variation angulaire de la photoluminescence et du Raman témoignent de la présence de chaînes de polymères dont le degré d'orientation est compatible avec une croissance le long des pores.

La réalisation d'optiques de grandes dimensions est un élément clé à la réussite de la lithographie Extrême-Ultraviolet à 13,5 nm. Leur intégration dans les appareils de production doit permettre d'acheminer un flux lumineux intense de la source jusqu'au wafer et ainsi d'augmenter la productivité. Nous avons étudié et développé des systèmes multicouches à base de molybdène et silicium. Leurs structures ont été étudiées par réflectométrie des rayons X et leurs performances mesurées à 13,5 nm sous rayonnement synchrotron. Les résultats ont révélé une réflectivité à 13,5 nm limitée principalement à cause de la faible qualité des interfaces due à l'inter-diffusion des 2 matériaux. Nous avons aussi porté une attention particulière au traitement de substrats asphériques de grandes dimensions. Nous avons notamment utilisé des techniques de masquage permettant de contrôler les épaisseurs déposées sur des diamètres de près de 500 mm et malgré des flèches proches de 100 mm.

Cette these presente une etude du modele XY bidimensionnel dans des conditions realistes, comme la presence d'imperfections (impuretes non magnetiques) ou la taille finie du reseau. Ces deux aspects sont typiques de situations experimentales et necessitent un questionnement theorique. Nous avons egalement considere le comportement a basse temperature du modele d'Heisenberg fini et avons trouve un comportement analogue a celui du modele XY. Nous avons utilise a la fois une approche analytique et des simulations numeriques pour traiter le probleme. Les resultats essentiels de ce travail sont : (a) la determination de l'exposant de decroissance algebrique de la fonction de correlation du modele XY dilue, analytiquement avec l'approximation d'ondes de spins et par simulations Monte Carlo a l'aide de l'algorithme de Wolff, (b) l'estimation correspondante dans le cas du modele d'Heisenberg sur reseau fini a basse temperature assortie de simulations numeriques egalement, (c) la forme de l'interaction entre les impuretes non magnetiques et les defauts topologiques dans le cadre du modele de Villain et dans le modele de Kosterlitz-Thouless, et l'estimation analytique de la reduction de temperature critique basee sur la forme de cette interaction, (d) la determination numerique de la distribution de probabilite de l'aimantation residuelle sur un systeme fini en presence de desordre. Pour l'ensemble de nos travaux, nous avons obtenu un bon accord entre les predictions theoriques et les simulations numeriques, de meme qu'avec des travaux anterieurs le cas echeant.

Ce travail se décompose en trois parties : dans un premier temps, nous présentons de nouveaux résultats dans le cadre du projet ULTIMA. Ce projet vise à utilliser des bolomètres d'3He superfluide pour un détecteur de matière noire. Nous démontrons l'importance de couvrir de deux monocouches d'4He les parois des cellules bolométriques . Nous étudions de même l'influence du champ magnétique sur la calibration du bolomètre. L'observation la plus importante est que la forme des pulses enregistrés varie selon la nature de la particule incidente. Une étude détaillée de ce phénomène est présentée et nous discutons son application à la discrimination d'évènements dans un futur détecteur. Dans une deuxième partie, nous utilisons le même dispositif expérimental pour étudier les propriétés fondamentales de l'3He. Premièrement, nous mesurons la chaleur spécifique des couches adsorbés d'3He à ultra basses températures en présence d'un champs magnétique. Deuxièmement, la transition rapide de la phase normale vers la phase superfluide est étudiée et interprétée dans le cadre du scénario de Kibble-Zurek de création de vortex. Dans la troisième partie, nous étudions l'influence du confinement de l'3He dans un aérogel anisotrope sur les états superfluides. Au moyen de techniques RMN, nous testons la prédiction de l'apparition d'une nouvelle phase nommée “phase polaire” et nous mettons en évidence l'existence d'un nouveau mode de précession.