La frustration est un concept physique qui apparaît lorsque toutes les interactions d'un système ne peuvent être satisfaites en même temps. La glace de spins artificielle est un exemple de système magnétique frustré par la compétition entre interactions dipolaires. Jusqu'ici, les propriétés de ce métamatériau ont été étudiées à l'aide de techniques microscopiques. Ces dernières ne permettent qu'un accès limité à la dynamique du système. Cette dernière pourrait être étudiée par les techniques de diffusion qui ont une meilleure résolution temporelle.La diffusion magnétique résonante des rayons-x mous (SXRMS) est une technique qui a une résolution spatiale comparable avec les tailles standards de la glace de spins artificielle. Le but de cette thèse est de démontrer que cette technique peut apporter des informations intéressantes sur l'organisation magnétique. Elle est organisée en deux parties principales. Tout d'abord, la fabrication d'échantillon est décrite étape par étape. Ensuite, les études de la glace de spins carrée et kagome sont présentées. Des signaux d'origine magnétique ont été enregistré qui apportent une vision de l'organisation magnétique. L'interprétation de ces signaux est complexe à cause de l'espace réciproque. Le dernier chapitre présente une série de mesures utilisant des techniques non-microscopiques sur des systèmes avec des fluctuations magnétiques.Les différentes études présentées montrent que non seulement la glace de spin artificielle peut être étudiée par la diffusion et les autres techniques apportent des informations sur le système. Cette thèse ouvre la voie à des techniques plus avancées comme, dans le domaine des rayons X, l'illumination de l'échantillon avec un faisceau cohérent. Le travail présenté est par conséquent une première étape vers l'étude de la dynamique dans la glace de spins artificielle. / Frustration is a concept in physics which appears when all interactions in a system cannot be satisfied at the same time. Artificial spin ice is an example of a magnetic system that is frustrated by the competition between the dipolar interactions. So far, the properties of this metamaterial has been studied by means of microscopic techniques with the disadvantage of a limited dynamical range. At a time when dimensions of the nanomagnets allow the access to fast dynamics using magnetic fluctuations, the time-resolution of scattering techniques could make them relevant for such studies.Soft x-ray resonant magnetic scattering (SXRMS) is a magnetic-sensitive technique with a resolution compatible with the dimensions of artificial spin ice. The scope of this thesis is to demonstrate that SXRMS can bring relevant information about the magnetic organisation in artificial spin ice. It is organized in two parts. The fabrication of scattering-compatible artificial spin ice samples is described step by step. Then, the studies of both artificial square and kagome spin ice are presented. Signals of magnetic origin have been recorded, bringing insights in the magnetic organization of the system. While most of the studies have been performed on static systems, a small chapter is presenting a serie of studies using non-microscopic techniques which include systems with fluctuating magnetic moments.The different studies performed within this thesis demonstrate that artificial spin ice can not only be studied by microscopy techniques, but that scattering and non-microscopic methods are also relevant. In particular, it opens the way to more advanced experiments such as, in the x-ray domain, the illumination of the system with a coherent beam in order to resolve the nature of the very short magnetic correlations using x-ray photon correlation spectroscopy technique. The presented work is therefore a first step toward the study of dynamics in artificial spin ice.

Cette thèse présente une étude expérimentale des modifications des propriétés de diffusion résonante de la lumière par des nuages mésoscopiques de rubidium 87 froids dont la densité peut être variée. pour des densités de l’ordre de 1014 atomes/cm3, les distances entre certains atomes deviennent bien plus petites que la longueur d’onde du rayonnement à résonance avec la transition d2 (780 nm) du rubidium 87. l’ampleur des interactions dipôle-dipôle entre ces diffuseurs empêche alors de les considérer comme étant indépendants les uns des autres: on parle de diffusion collective. les méthodes employées pour produire les échantillons étudiés s’appuient sur des techniques de refroidissement (ralentisseur zeeman et piège magnéto-optique) et de piégeage (pinces optiques) d’atomes neutres permettant d’obtenir des ensembles d’atomes froids (environ 100 µK) allant d’exactement un à plusieurs centaines d’entre eux. les observations réalisées portent sur la lumière diffusée par ces atomes, collectée grâce à un système optique de grande ouverture numérique. l’étude consiste dans un premier temps en la caractérisation la diffusion résonante de lumière par un unique atome. elle aboutit notamment à la mesure du retard dans la diffusion par un atome d’un paquet d’ondes lumineuses, appelé délai de wigner, dans des conditions proches d’une expérience de pensée. dans un second temps, cette étude porte sur les propriétés de diffusion collective de lumière par des ensembles denses d’atomes. elle rapporte en particuliers une mesure de la suppression de l’excitation des nano-nuages en fonction de leur densité. / This thesis reports an experimental study of the modifications of the near-resonant light scattering properties of mesoscopic cold clouds of rubidium 87 which densities are tunable. for densities of the order of 1014 atoms/cm3, inter-atomic distances can be smaller than the wavelength of the radiation at resonance with the d2 line (780 nm) of rubidium 87. the magnitude of the dipole-dipole interactions between the scatters is such that they can no longer be considered as independent of each other: a phenomenon called collective scattering. the methods used to produce the studied samples are based on cooling (zeeman slower and magneto-optical trap) and trapping (optical tweezers) techniques for neutral atoms. they allow obtaining cold (100 µK) atomic ensembles containing from exactly one to several hundreds of atoms. the observations performed are based on the light scattered by these atoms which is collected thanks to a high numerical aperture optical system. in a first step, this study consists in characterizing the near-resonant light scattering by a single atom. it leads to the measurement of the delay in the scattering by an atom of a wave packet of light, called wigner delay, in conditions close to those of a gedanken experiment. in a second step, this study deals with the collective scattering of light by dense atomic ensembles. it especially reports a measurement of the suppression of the excitation of the nano-clouds versus their densities.

Les composés intermétalliques à base de cérium présentent à basse température des propriétés magnétiques, électroniques et thermodynamiques tout à fait fascinantes. Deux interactions majeures entre la bande de conduction et les électrons localisés de la couche 4f entrent en compétition et régissent la physique de ces composés: l'effet Kondo tend à écranter les moments magnétiques 4f alors que les interactions RKKY favorisent plutôt des moments localisés et ordonnés. Un diagramme de phase complexe naît de cette compétition et le comprendre exige une caractérisation complète des niveaux 4f. La dégénérescence des multiplets liés au couplage spin-orbit est levée par les effets de champ cristallin, et les écarts entre les niveaux d'énergie qui en résultent ainsi que les symétries des états fondamentaux et excités doivent être déterminés expérimentalement. Les effets de champ cristallin dans les lanthanides peuvent être sondés par diverses techniques expérimentales dont la susceptibilité magnétique, la diffusion inélastique de neutrons, la spectroscopie par absorption de rayons X ou de photoémission. Cependant, chacune de ces techniques présente des limitations propres qui empêchent une caractérisation précise de ces effets. Nous présentons dans cette thèse les capacités de la technique de diffusion résonante inélastique des rayons X mous (soft-RIXS) à sonder les effets de champ cristallin dans les composés à base de cérium. Les dernières avancées en instrumentation ont permis de repousser les limites de la résolution en énergie jusqu'à 30 meV au seuil M5 du Cérium, suffisant pour séparer les transitions électroniques des plus bas des niveaux 4f. Le composé CeRh2Si2 a été étudié à titre d'exemple. Les énergies des excitations de couplage spin-orbit et de champ cristallin observées expérimentalement fournissent une mesure directe des écarts des niveaux 4f, tandis que la comparaison entre les spectres expérimentaux et des calculs basés sur le multiplet complet dans l'approximation à un ion permet d'identifier sans ambiguïté la symétrie des états de plus basse énergie du champ cristallin. L'orientation des fonctions d'ondes dans les plans ab du cristal peut aussi être déterminée de manière très simple en mesurant la polarisation des photons diffusés de manière inélastique. L'interaction avec les états itinérants peut introduire une variation de l'énergie des niveaux 4f en fonction du vecteur de diffusion q, qui se traduit par des signatures observables dans les spectres de diffusion inélastique résonante de rayons X. Un modèle simple est proposé pour expliquer la variation observée en fonction de q, mais des calculs théoriques plus poussés apparaissent nécessaires pour rendre compte de manière plus exacte de ces variations. L'étude des composés CeCu2Si2 et CeCo2Ge2 montre que la diffusion inélastique des rayons X peut sonder des effets de champ cristallin bien plus faibles ou bien plus importants que ceux observés dans CeRh2Si2. Dans le futur, une meilleure résolution en énergie et des modélisations plus poussées devraient encore améliorer la précision des études des effets de champ cristallin dans les composés de Cérium et autres lanthanides par diffusion inélastique de rayons X. / Cerium intermetallic compounds exhibit fascinating magnetic, electronic and thermodynamic properties at low temperatures. Their physics is governed by two competing interactions between the conduction band and localised 4f electrons: the Kondo effect tends to screen the 4f magnetic moments while RKKY exchange favours ordered local moments. From this competition, a complex phase diagram arises and its understanding requires a full characterisation the 4f levels. The crystal electric field (CEF) effects lift the degeneracy of the spin-orbit multiplets and the resulting energy splittings (tens of meV) as well as the symmetry of the ground and excited states must be determined experimentally. CEF effects in the lanthanides can be studied with a number of experimental probes including magnetic susceptibility, inelastic neutron scattering, X-ray absorption spectroscopy or photoemission spectroscopy. However, each of these techniques has limitations which can prevent an accurate characterisation. This thesis discusses the potential of Resonant Inelastic soft X-ray Scattering (soft-RIXS) to become a new probe of the CEF in cerium compounds. The latest advances in instrumentation have pushed the energy resolution in soft RIXS down to 30 meV at the Ce M5 edge, good enough to resolve the electronic transitions between the lowest lying 4f levels. This is demonstrated using the example of CeRh2Si2 spectra. The observed energies of the spin-orbit and CEF excitations provide a direct measurement of the 4f splittings and the comparison of the experimental spectra with full-multiplet single-ion calculations unambiguously identifies the symmetry of the lowest CEF levels. The orientation of the wave-functions in the crystal ab plane can also be determined in a straightforward manner by measuring the polarisation of the inelastically scattered photons. The interaction with itinerant states can lead to a momentum dependence of the 4f levels' energy and this leaves signatures in the excitation spectra that can be observed in RIXS. A simple model is proposed to explain the observed q dependence but further theoretical work is needed to properly account for the momentum dependence of the 4f excitations. Using the examples of CeCu2Si2 and CeCo2Ge2 it is demonstrated that RIXS can probe CEF splittings that are significantly smaller or much larger than those in CeRh2Si2. With better energy resolution and more advanced modelling RIXS studies of the CEF in cerium and other lanthanide ions will become even more accurate in the future.