La spintronique est principalement basée sur le phénomène d’accumulation de spin, inhérent à la circulation d’un courant électrique aux interfaces entre des matériaux ferromagnétiques et non magnétiques. Ces accumulations sont classiquement obtenues dans des empilements multicouches pour lesquels les épaisseurs des couches sont inférieures aux longueurs caractéristiques du transport dépendant en spin. Il est ainsi possible de générer dans ces multicouches des effets de magnétorésistance ou de transfert de spin.Le développement de procédés de nanofabrication permet aujourd’hui de créer des nanodispositifs dont les dimensions latérales sont inférieures aux longueurs caractéristiques du transport dépendant en spin, et donc de mettre en jeu ces mêmes phénomènes. Au cours de ma thèse j’ai étudié différentes nanostructures latérales F/N, montrant qu’il est possible de tirer avantage de la géométrie tridimensionnelle des structures et des différentes orientations possibles des spins injectés. Des études de transport ont en particulier été réalisées dans les régimes colinéaires et non colinéaires, afin d’étudier les conséquences de la non-colinéarité sur les effets d’accumulation de spin et de magnétorésistance.Après un chapitre d’introduction au transport électronique dépendant en spin, le second démontre l’intérêt de l’utilisation de l’alliage CoFe dans la réalisation de structures latérales. Le troisième chapitre explore les nouvelles opportunités offertes par les structures latérales dans le cas du transport colinéaire. Le cas non-colinéaire du transport de spin au travers d’un matériau ferromagnétique est ensuite examiné à l’aide de mesures d’absorption de spin et de mesures d’effet Hanle. Enfin, l’exploitation des purs courants de spin en vue de réaliser des structures fonctionnelles à effets de magnétorésistance est étudiée au cours des Chapitres V et VI. Des nanostructures dont la géométrie tire parti des trois directions de l’espace, basées sur un transport de spin à la fois vertical et latéral, sont notamment présentée dans le Chapitre VI. / Spintronics is mainly based on the phenomenon of spin accumulation, which is inherent to the circulation of an electric current at the interfaces between ferromagnetic and non-magnetic materials. These accumulations are conventionally obtained in multilayers for which the thicknesses of the layers are smaller than the characteristic lengths of the spin-dependent transport. It is thus possible to generate in these multilayers magnetoresistances or spin transfer effects.The development of nanofabrication processes makes it nowadays possible to create nanodevices whose lateral dimensions are less than the characteristic lengths of the spin-dependent transport, and thus to bring into play these same phenomena. During my thesis I studied different F / N lateral nanostructures, showing that it is possible to take advantage of the three-dimensional geometry of the structures, and of the different possible orientations of the injected spins. In particular, transport studies have been carried out in collinear and non-collinear regimes, in order to study the consequences of the non-collinearity on the spin accumulations and magnetoresistances.After an introductory chapter on spin-dependent electron transport, the second chapter demonstrates the interest of the CoFe alloy in lateral structures. The third chapter explores the new opportunities offered by lateral structures in the case of collinear transport. The non-collinear case of spin transport through a ferromagnetic material is then examined using spin absorption measurements and Hanle measurements. Finally, the exploitation of pure spin currents in order to realize functional devices is studied in Chapters V and VI. In particular, new nanostructures whose geometry takes advantage of the three directions of space (based on both vertical and lateral spin transport) are presented in Chapter VI.

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. / 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.

La technologie CMOS a contribué au développement de l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, au fur et à mesure que le noeud technologique est réduit, la technologie CMOS fait face à des défis importants liés à la dissipation dûe aux courants de fuite et aux effets du canal court. Pour résoudre ce problème, les chercheurs se sont intéressés à la spintronique ces dernières années, compte tenu de la possibilité de fabriquer des dispositifs de taille réduite et d'opérations de faible puissance. La jonction tunnel magnétique (MTJ) est l'un des dispositifs spintroniques les plus importants qui peut stocker des données binaires grâce à la Magnétorésistance à effet tunnel (TMR). En dehors des applications de mémoire non volatile, la MTJ peut également être utilisée pour combiner ou remplacer les circuits CMOS pour implémenter un circuit hybride, de façon à combiner une faible consommation d'énergie et des performances à grande vitesse. Cependant, le problème de la conversion fréquente de charge en spin dans un circuit hybride peut entraîner une importante consommation d'énergie, ce qui obère l'intérêt pour des circuits hybrides. Par conséquent, le concept ASL qui repose sur un pur courant de spin comme support de l'information est proposé pour limiter les conversions entre charge et spin, donc pour réduire la consommation d'énergie. La conception de circuits à base de dispositif ASL entraîne de nombreux défis liés à l'hétérogénéité qu'ils introduisent et à l'espace de conception étendu à explorer. Par conséquent, cette thèse se concentre sur l'écart entre les exigences d'application au niveau du système et la fabrication des nanodispositifs. Au niveau du dispositif, nous avons développé un modèle compact intégrant le STT, la TMR, les effets d'injection/accumulation de spin, le courant de breakdown des canaux et le délai de diffusion de spin. Validé par comparaison avec les résultats expérimentaux, ce modèle permet d'explorer les paramètres du dispositif liés à la fabrication, tels que les longueurs de canaux et les tailles de MTJ, et aide les concepteurs à éviter leur destruction. De plus, ce modèle, décrit avec Verilog-A sur Cadence et divisé en plusieurs blocs : injecteur, détecteur, canal et contact, permet une conception indépendante et une optimisation des circuits ASL qui facilitent la conception de circuits hiérarchiques et complexes. En outre, les expressions permettant le calcul de l'injection/accumulation de spin pour le dispositif ASL utilisé sont dérivées. Elles permettent de discuter des phénomènes expérimentaux observés sur les dispositifs ASL. Au niveau circuit, nous avons développé une méthodologie de conception de circuit/système, en tenant compte de la distribution des canaux, de l'interconnexion des portes et des différents rapports de courant d'injection provoqués par la diffusion de spin. Avec les spécifications et les contraintes du circuit/système, les fonctions booléennes du circuit sont synthétisées en fonction de la méthode de synthèse développée et des paramètres de niveau de fabrication : longueur des canaux, et tailles MTJ sont spécifiées. Basé sur cette méthodologie développée, les circuits combinatoires de base qui forment une bibliothèque de circuits sont conçus et évalués en utilisant le modèle compact développé. Au niveau du système, un circuit DCT, un circuit de convolution et un système Intel i7 sont évalués en explorant les problèmes d'interconnexion : la répartition de l'interconnexion entre les portes et le nombre de tampons inséré. Avec des paramètres théoriques, les résultats montrent que le circuit/système ASL peut surpasser le circuit/système basé sur CMOS. De plus, le pipeline du circuit basé sur ASL est discuté avec MTJ comme tampons insérés entre les étapes. La reconfigurabilité provoquée par les polarités/valeurs du courant d'injection et les états des terminaux de control des circuits ASL sont également discutés avec l'exploration reconfigurable des circuits logiques de base. / The CMOS technology has tremendously affected the development of the semi-conductor industry. However, as the technology node is scaled down, the CMOS technology faces significant challenges set by the leakage power and the short channel effects. To cope with this problem, researchers pay their attention to the spintronics in recent years, considering its possibilities to allow smaller size fabrication and lower power operations. The magnetic tunnel junction (MTJ) is one of the most important spintronic devices which can store binary data based on Tunnel MagnetoResistance (TMR) effect. Except for the non-volatile memory, MTJ can be also used to combine with or replace the CMOS circuits to implement a hybrid circuit, for the potential to achieve low power consumption and high speed performance. However, the problem of frequent spin-charge conversion in a hybrid circuit may cause large power consumption, which diminishes the advantage of the hybrid circuits. Therefore, the ASL concept which uses a pure spin current to transport the information is proposed for fewer charge-spin conversions, thus for less power consumption. The design of ASL device-based circuits leads to numerous challenges related to the heterogeneity they introduce and the large design space to explore. Hence, this thesis focus on filling the gap between application requirements at the system level and the device fabrication at the device level. In device level, we developed a compact model integrating the STT, the TMR, the spin injection/accumulation effects, the channel breakdown current and the spin diffusion delay. Validated by comparing with experimental results, this model allows exploring fabrication-related device parameters such as channel lengths and MTJ sizes and help designers to prevent from device damages. Moreover, programmed with Verilog-A on Cadence and divided into several blocks: injector, detector, channel and contact devices, this model allows the independent design and cross-layer optimization of ASL-based circuits, that eases the design of hierarchical, complex circuits. Furthermore, the spin injection/accumulation expressions for the used ASL device are derived, enabling to discuss the experimental phenomena of the ASL device. In circuit level, we developed a circuit/system design methodology, taking into account the channel distribution, the gate interconnection and the different injection current ratios caused by the spin diffusion. With circuit/system specifications and constraints, the boolean functions of a circuit are synthesized based on the developed synthesis method and fabrication-level parameters: channel lengths, MTJ sizes are specified. Based on this developed methodology, basic combinational circuits that form a circuit library are designed and evaluated by using the developed compact model. In system level, a DCT circuit, a convolution circuit and an Intel i7 system are evaluated exploring the interconnection issues: interconnection distribution between gates and inserted buffer count. With theoretical parameters, results show that ASL-based circuit/system can outperform CMOS-based circuit/system. Moreover, the pipelining schema of the ASL-based circuit is discussed with MTJ as latches inserted between stages. The reconfigurability caused by the injection current polarities/values and the control terminal states of ASL-based circuits are also discussed with the reconfigurable exploration of basic logic circuits.

Depuis la découverte de la magnétorésistance (MR) géante en 1988 par le groupe d'Albert Fert (prix Nobel de physique en 2007), le domaine de l'électronique de spin a connu un essor sans précédent, justifié par toutes les applications qu'elle permet d'envisager en électronique.Depuis une vingtaine d'années, il est question d'utiliser le degré de liberté de spin directement dans les matériaux semi-conducteurs avec le gros avantage par rapport aux métaux de pouvoir manipuler électriquement le spin des porteurs. L'électronique de spin dans les matériaux semi-conducteurs utilise pour coder l'information non seulement la charge des porteurs (électrons et trous), mais aussi leur spin. En associant charge et spin, on ajoute de nouvelles fonctionnalités aux dispositifs de micro-électronique traditionnels.Le premier challenge consiste à contrôler l’injection et la détection d’une population de porteurs polarisés en spin dans les semi-conducteurs traditionnels (Si, Ge).Pour cela, nous avons étudié des dispositifs hybrides de type MIS: Métal ferromagnétique/Isolant/Semi-conducteur qui nous permettent d'injecter et de détecter électriquement un courant de spin. La première partie de cette thèse concerne les dispositifs à 3 terminaux sur différents substrats qui utilisent une unique électrode ferromagnétique pour injecter et détecter par effet Hanle l’accumulation de spin dans les semi-conducteurs. Une amplification des signaux de spin extraits expérimentalement par rapport aux valeurs théoriques du modèle diffusif est à l’origine d’une controverse importante. Nous avons alors démontré que l’origine du signal de MR ou de l’amplification ne peut être expliquée par la présence de défauts dans la barrière tunnel. A l’inverse, nous prouvons la présence d’états d’interface qui peuvent expliquer l’amplification du signal de spin. De plus, la réduction de la densité d’états d’interface par une préparation de surface montre des changements significatifs comme la diminution du signal de spin.La deuxième partie de ces travaux concerne la transition vers les vannes de spin latérales sur semi-conducteurs. Dans ces dispositifs utilisant deux électrodes FM, le découplage entre l’injection et la détection de spin permet de s’affranchir des effets de magnétorésistance parasites car seul un pur courant de spin est détecté dans le semi-conducteur. Par une croissance d’une jonction tunnel ferromagnétique épitaxiée, nous avons démontré l’injection de spin dans des substrats de silicium et germanium sur isolant. En particulier nous observons un fort signal de spin jusqu’à température ambiante dans le germanium.Finalement, les prémices de la manipulation de spin par l’étude du couplage spin-orbite ont été étudiées dans les substrats d’arséniure de gallium et de germanium. En effet, nous avons induit par effet Hall de spin (une conséquence du couplage spin-orbite) une accumulation de spin qui a été sondée en utilisant la spectroscopie de muon. On démontre alors, à basse température, la présence de l’accumulation grâce au couplage entre les spins électroniques accumulés et les noyaux de l’arséniure de gallium. / Since the discovery of the giant magnetoresistance in 1988 by the group of Albert Fert (Nobel Prize in 2007), the field of spintronics has been growing very fast due to its potential applications in micro-electronics.For almost 20 years, it has been proposed to introduce the spin degree of freedom directly in the semiconducting materials. Spintronics aims at using not only the charge of carriers (electrons and holes) but also their intrinsic spin degree of freedom. In that case, spins might be manipulated with electric fields. By using both charge and spin, one might add new functionalities to traditional micro-electronic devices.Indeed, the first challenge of semiconductor spintronics is to create and detect a spin polarized carrier population in traditional semiconductors like Si and Ge to further manipulate them.For this purpose, we have used hybrid ferromagnetic metal/insulator/semiconductor devices which allow us to perform electrical spin injection and detection. The first part of this thesis deals with 3 terminal devices grown on different substrates and in which a single ferromagnetic electrode is used to inject and detect spin polarized electrons using the Hanle effect. A spin signal amplification is measured experimentally as compared to the value from the theoretical diffusive model, this raised a controversy concerning 3 terminal measurements. We demonstrate that localized defects in the tunnel barrier cannot be at the origin of the measured MR signal and spin signal amplification. Instead, we show that the presence of interface states is the origin of the spin signal amplification in all the substrates. By using a proper surface preparation and the MBE growth of the magnetic tunnel junctions, we reduce the density of interface states and show a significant modification of the spin signals.In a second part, we present the transition from 3 terminal measurements to lateral spin valves on semiconductors. In the last configuration by using two ferromagnetic electrodes, charge and spin currents are decoupled in order to avoid any spurious magnetoresistance artefacts. Using epitaxially grown magnetic tunnel junctions we can prove the spin injection in silicon and germanium. Especially, we are able to measure non local spin signals in germanium up to room temperature.Finally, we study the spin Hall effect in gallium arsenide and germanium substrates. For this propose we induce spin accumulation using the spin Hall effect (i.e spin-orbit coupling) and probe it using muon spectroscopy. We demonstrate, at low temperature the presence of spin accumulation by the coupling between nuclear spins and the electron spin accumulation.

La spintronique classique utilise généralement des matériaux magnétiques pour produire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Un autre moyen, plus récemment étudié, consiste à utiliser le couplage spin-orbite (SOC). Il permet de produire un courant de spin pur selon une direction transverse au courant de charge en tenant compte des principes de la mécanique quantique relativiste. Dans les matériaux à fort couplage spin-orbite, les courants de spin ainsi produits sont suffisamment importants pour imaginer les utiliser pour la commutation magnétique dans les dispositifs spintroniques. Le couplage spin-orbite, correspondant à une correction relativiste dans les équations du mouvement de l’électron, particule de spin 1/2, peut être grand dans des matériaux contenant des atomes lourds. Cela signifie qu’une conversion du courant de charge en courant de spin peut être obtenue en utilisant les propriétés de systèmes à fort SOC tel que le platine (Pt), le tungstène (W) ou le tantale (Ta), par exemple. Depuis peu, des systèmes électroniques bidimensionnels (2DEG), obtenus au niveau d’interfaces ou de surfaces particulières, ont démontré des propriétés permettant des effets d’inter-conversion particulièrement efficaces. En particulier des états Rashba ou des systèmes d’isolants topologiques, suscitent actuellement un fort engouement dans la communauté de la spintronique pour cette faculté d’inter-conversion spin-charge.Dans ce cadre particulier, depuis une dizaine d’années, les isolants topologiques ont été étudiés pour leurs propriétés électroniques non conventionnelles qui prennent racine dans la définition théorique de l’effet Hall quantique entier donnée par Thouless, ainsi que dans les travaux de Haldane dans le graphène et de Kane dans des systèmes semi-conducteurs à faible bande interdite pourvus d’un SOC fort. Ces systèmes 2D présentent des propriétés électriques intrigantes : ils sont isolants en volume et conducteurs en surface. Ces états de conductions sont pourvus d’une dispersion linéaire en énergie en fonction du vecteur d’onde k, comme dans le cas du graphène, avec une hélicité en spin déterminée.De nombreuses questions restent néanmoins ouvertes quant à la compréhension des mécanismes à l’origine de ces états de conduction en surface, mais également quant à la manière la plus simple de détecter ces états topologiques. En vue de leur intégration dans des dispositifs spintroniques et de la réalisation d’interface TI/Matériaux ferromagnétiques un certain nombre de questions se posent : comment préserver la nature des états topologiques à l’interface ? Quels matériaux utiliser et quelle est la nature atomique de l’interface (diffusion atomique) ? Quels sont les échanges électroniques à l’interface ? Etc.L’une des applications utilisant les propriétés des isolants topologiques, est d’utiliser les propriétés de conversion du courant de charge en courant de spin (et vice versa) afin de modifier ou commuter l’aimantation d’un élément ou mémoire ferromagnétique déposé directement (ou séparé par une couche tampon) sur le matériau topologique lui-même. Un tel système de bicouches ou multi-couches devrait être capable de s’intégrer dans une mémoire vive magnétique (MRAM) ou d’accroître le potentiel des disques électroniques (SSD) en raison du caractère permanent et non volatile de l’état d’aimantation du matériau. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse. / Conventional spintronics generally uses magnetic materials to produce a spin current from a current of charge. Another means, more recently studied, is the use of spin-orbit coupling (SOC). It makes possible to produce a pure current of spin in a direction transverse to the charge current, taking into account the principles of relativistic quantum mechanics. In materials with strong spin-orbit coupling, the spin currents are large enough to imagine using them for magnetic switching in spintronic devices. The spin-orbit coupling, corresponding to a relativistic correction in the equations of motion of the electron, a spin 1/2 particle, can be large in materials containing heavy atoms. This means that a conversion from charge current to spin current can be obtained using the properties of SOC systems such as platinum (Pt), tungsten(W) or tantalum (Ta) for example. Recently 2 dimensionnal electronic gas (2DEG), obtained at particular interfaces or surfaces, have demonstrated properties allowing particularly effective inter-conversion effects. In particular Rashba states or topological insulator systems, are currently arousing a strong interest in the spintronics community for this faculty of spin-charge conversion.In this particular context, over the last ten years or so, topological insulators have been studied for their electronic properties which are rooted in the theoretical definition of the integer quantum Hall effect given by Thouless, as well as in the work of Haldane in graphene and Kane in low bandgap semiconductor systems with a strong SOC. These systems have intriguing electrical properties: they are insulating in volume and conductive on the surfaces. These conductivity states have a linear energy dispersion as a function of the k-wave vector, as in the case of the graphene, with a determined spin helicity.Nevertheless, many questions remain open as the understanding of the mechanisms at the origin of these states of surface conduction, but also as to the simplest way to detect these topological states. In order to integrate in spintronic devices and to realize TI/Ferromagnetic materials interface, a number of questions arise: how to preserve the nature of the topological states at the interface? What materials should be used and what is the atomic nature of the interface (inter-mixing) ? What are the electronic exchanges at the interface? Etc.One of the applications using the properties of topological insulators, is to use the conversion properties of the charge current to spin current in order to modify or switch the magnetization of a ferromagnetic element or memory deposited directly (or separated by a buffer layer) on the topological material itself. Such a two-layer system or multilayer should be capable of integration into a magnetic random access memory (MRAM) or of increasing the potential of disks (SSD) due to the permanent and non-volatile nature of the magnetisation state of the material. This is framework of this thesis.

Dans cette thèse, on s’intéresse à l'étude théorique et à la simulation numérique de la dynamique de charges et de spins dans des nano-structures métalliques. Ces dernières années la physique des nano-structures métalliques à connu un intérêt croissant, aussi bien d'un point de vue de la physique fondamental que d'un point de vue des applications technologiques. Il est donc essentiel d'avoir des modèles théoriques nous permettant de décrire correctement ce type d'objets. Cette thèse comporte deux études distinctes. Dans un premier temps on utilise un modèle semi-classique dans l'espace des phases afin d'étudier la dynamique de charges et de spins dans des films ferromagnétiques(Nickel). On décrit dans le même modèle le magnétisme itinérant et le magnétisme localisé. On montre qu'il est possible, en excitant le système avec un laser pulsé femtoseconde dans le domaine du visible, de créer un courant de spin oscillant dans la direction normal du film sur des temps ultrarapides(femtoseconde). Dans un second temps on s’intéresse à la dynamique de charge d'électrons confinés dans des nano-particules d'Or ou bien encore par des potentiels anisotropes. On montre que de telles systèmes sont des candidats intéressant pour faire de la génération d'harmoniques. / In this thesis we focus on the theoritical description and on the numerical simulation of the charge and spin dynamics in metallic nano-structures. The physics of metallic nano-structures has stimulated a huge amount of scientific interest in the last two decades, both for fundamental research and for potential technological applications. The thesis is divided in two parts. In the first part we use a semiclassical phase-space model to study the ultrafast charge and spin dynamics in thin ferromagnetic films (Nickel). Both itinerant and localized magnetism are taken into account. It is shown that an oscillating spin current can be generated in the film via the application of a femtosecond laser pulse in the visible range. In the second part we focus on the charge dynamics of electrons confined in metallic nano-particles (Gold) or anisotropic wells. We show that such systems can be used for high harmonic generation.