L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes théoriques et numériques pour calculer la diffusion d'ondes de spin et leur transport balistique à travers deux types de nanomatériaux magnétiques désordonnés de terres rares - métaux de transition, à savoir le cobalt-gadolinium et le fer-gadolinium, comme éléments constitutifs des systèmes de nanojunctions. La modélisation développée dans ce travail décrit proprement les conséquences du désordre caractéristique de ces systèmes, à savoir de type alliage et celui de type structurel. Les méthodes théoriques et numériques développées servent en particulier à explorer les attributs de ces nanojonctions comme des filtres et des éléments de transmission assistée par résonance dans des dispositifs magnoniques. La thèse développe une version dynamique et non-locale pour l'approximation du potentiel (DNLCPA) afin d'étudier la dynamique de spin des systèmes ultraminces magnétiques désordonnés Fe-Gd et Co-Gd. Les potentiels aléatoires dynamiques de diffusion sont dérivés d'une manière inédite, exploitant les propriétés de phase des excitations de spin élémentaires dans le cadre du formalisme de Dyson. La méthode théorique est ensuite développée en deux manières fondamentales différentes, pour l'appliquer convenablement aux nano systèmes désordonnés qui présentent les types de désordre alliage et structurel. L'approche DNLCPA est ensuite conjuguée avec la théorie de raccordement de phase des champs (PFMT) pour étudier le transport balistique d'ondes de spin à travers les nanojonctions Co-Gd et Fe-Gd entre des gUides d'ondes de Co et Fe respectivement. L'approche PFMT-DNLCPA donne pour la première fois une modélisation des propriétés de diffusion et de transport d'ondes de spin incidents sur les nanojonctions, elle réussit à démontrer, modéliser et à quantifier la perte d'énergie en diffusion balistique due à chaque type de désordre. / The aim of this thesis is to develop theoretical and numerical methods to analyze the ballistic spin waves scattering and transport across two types of rare earth - transition metals disordered magnetic nanomaterials, namely the cobalt-gadolinium and the iron-gadolinium types, as building blocks for nanojunction systems. The theoretical computations developed in this work account properly for the consequences of the characteristic disorder present in these systems, whether alloy disorder for the former or structural amorphous-like disorder for the latter. The developed methods serve, in particular, to explore the attributes of these nanojunctions as filters and elements for resonance assisted transmission in a magnonic device. The thesis develops a novel and dynamic non-local version of the coherent potential approximation (DNLCPA), to study the spin dynamics on disordered ultrathin Co-Gd and Fe-Gd magnetic systems. The dynamic random scattering potentials are derived in a completely novel approach, exploiting the phase properties of the elementary spin excitations within the Dyson formalism. This approach is then developed in two different fundamental manners, and applied appropriately for the disordered nanosystems presenting alloy and structural disorder. The DNLCPA approach is incorporated with the phase field matching theory (PFMT) to study the spin waves ballistic transport across the Co-Gd and the Fe-Gd nanojunctions, sandwiched between Co and Fe leads respectively. This PFMT-DNLCPA method yields for the first time the description of the scattering and transport properties for the spin waves incident on the nanojunctions. Furthermore, our computations successfully demonstrate, model and quantify the diffusive energy loss in ballistic scattering due to each type of disorder.

La fibrose systémique néphrogénique (FSN) est une maladie rare et relativement récente, observée uniquement chez des patients souffrant d’insuffisance rénale sévère ou terminale. Elle est liée à l’administration d’une certaine catégorie de complexes de gadolinium (CG), les CGs thermodynamiquement moins stables, utilisés comme produits de contraste pour l’imagerie par résonance magnétique. L’hypothèse mécanistique la plus couramment citée concerne les effets profibrosants du Gd3+ « libre » après dissociation in vivo des CGs les moins stables mais il n’en existe pas de démonstration formelle. La physiopathologie de cette maladie reste mal connue, notamment par manque de modèles précliniques pertinents. Les travaux de cette thèse répondent donc à la nécessité d’approfondir nos connaissances concernant les relations entre les propriétés physicochimiques des CGs (structure, stabilité) et le risque de toxicité chronique, afin de mieux comprendre leur rôle dans le mécanisme de la FSN. Nous avons mis aux points plusieurs modèles de FSN chez le Rat. Nous avons aussi comparé les effets de toutes les catégories structurales des CGs sur ces modèles. Une toxicité systémique importante et la survenue de lésions cutanées macroscopiques et d’une fibrose du derme sont notées après administration de gadodiamide (un CG linéaire et ionique de faible stabilité), ce qui est cohérent avec le fait que la grande majorité des cas de FSN sont associés à cet agent. Nous avons aussi montré que cette toxicité dépend du degré d’insuffisance rénale et que l’hyperphosphatémie sensibilise les animaux aux effets profibrosants du gadodiamide. Nos données suggèrent donc que ces facteurs associés sont des facteurs de risque de la FSN. Nous avons observé la dissociation progressive in vivo de deux CGs linéaires présentant une faible stabilité, le gadodiamide et l’acide gadopentétique, après administration chez le Rat insuffisant rénal, avec libération de Gd3+ sous forme libre et soluble. Les CGs macrocycliques sont restés stables. Nous avons confirmé cette stabilité sur du sérum de Rat et du sérum humain alors que le gadodiamide se dissocie in vitro. Nos données suggèrent aussi une interaction entre l’ion Gd3+ dissocié à partir du gadodiamide et les protéines sériques. Cette libération de Gd3+ est accélérée en présence d’une forte concentration de phosphate. Globalement, nos résultats suggèrent ainsi un rôle causal du Gd3+ libre dans les lésions cutanées observées chez les animaux insuffisants rénaux. Enfin, nous avons observé l’implication de la voie de signalisation canonique de TGFβ, le marqueur clé de la fibrose, uniquement chez des rats ayant reçu le gadodiamide et dont l’insuffisance rénale est modérée. Nos travaux sont donc en faveur de l’hypothèse mécanistique d’une dissociation des CGs peu stables. / Nephrogenic systemic fibrosis (NSF) is a rare systemic fibrosing disorder which has been described in patients with severe or end stage renal failure. NSF is associated with prior administration of certain gadolinium complexes (GCs), used as magnetic resonance imaging contrast agents, particularly those which have the lowest thermodynamic stability. The most widely accepted hypothesis regarding the mechanism is based on profibrotic effects of free Gd3+ following in vivo dissociation of the less stable GCs. Nevertheless, there is no conclusive evidence so far. The pathophysiology is not completely understood, especially due to the lack of relevant non-clinical models. The purpose of our thesis was to investigate the relationship between physicochemical properties of GCs (molecular structure, thermodynamic stability) and the risk of chronic toxicity (especially fibrosis), in order to enhance our understanding of their role in the mechanism of NSF. We have set-up various non-clinical models of NSF in renally-impaired rats. We also compared the effects of all categories of GCs on these models. A high systemic toxicity, associated with macroscopic skin lesions and dermal fibrosis, was observed after the administration of gadodiamide (a linear and nonionic GC with a low thermodynamic stability). Whereas more stable, macrocyclic GCs were well tolerated. These findings seem clinically-relevant because the vast majority of NSF cases are associated with gadodiamide. We also showed that systemic and skin toxicities depend on the baseline renal function, and that hyperphosphataemia sensitizes renally-impaired rats to the fibrotic effects of gadodiamide. Our data suggest that these factors are, actually, risk factors for NSF. We observed in vivo dissociation of two linear GCs, gadodiamide and gadopentetic acid, with gradual release of soluble Gd3+, in renally-impaired rats. Macrocyclic agents remained stable. This observation was also confirmed both in rat and human serum by the relaxometry technique. Our results are also consistent with an interaction between dissociated Gd3+ and serum proteins. We also demonstrated that elevated serum phosphate levels accelerates the release of Gd3+. Taken all together, our results suggest a causal role of dissociated Gd3+ in gadodiamide-induced skin lesions in renally-impaired rats. Finally, we identified the involvement of the canonical signaling pathway of TGFβ, the central mediator of the fibrotic response, in gadodiamide-treated rats with a moderate renal failure. Our work is consistent with a causal role of dissociated Gd in the mechanism of NSF.