Un nouveau matériau spintronique, Mn4N, a été étudié. Les couches minces ferrimagnétiques Mn4N possèdent une aimantation spontanée Ms relativement petite et une forte anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et conviennent donc aux dispositifs à mémoire à couple de rotation. De plus, Mn4N est composé uniquement d’éléments bon marché, légers et abondants, sans terres rares ni métaux nobles, et donc exempt de criticité matérielle. Dans ce travail, les propriétés magnétiques et de magnéto-transport de Mn4N développé sur un substrat de SrTiO3 (STO) ont été évaluées.Tout d'abord, les propriétés magnétiques et magnéto-transport des films minces de Mn4N sont évaluées, ce qui permet de constater leur amélioration spectaculaire en remplaçant les substrats classiques en MgO par des substrats en STO. Ce système Mn4N / STO présente des propriétés étonnantes: une structure de domaine de taille millimétrique, une aimantation totalement rémanente à champ nul et une commutation d’aimantation nette provoquée par une faible nucléation de domaine inversé et une propagation en douceur de DW. Ces propriétés, associées à un très petit Ms et à un grand PMA, soulignent son potentiel pour les applications spintroniques.Deuxièmement, l’efficacité de génération du couple de transfert de spin (STT) dans le film mince Mn4N a été mesurée en mesurant la vitesse de la paroi de domaine (DW) entraînée par des impulsions de courant. La vitesse DW atteint des valeurs record de 900 m / s pour une densité de courant de 1,3 × 10 12 A / m2. Cette valeur est la plus élevée de tous les systèmes pilotés par le STT et est comparable à la vitesse la plus élevée obtenue avec les SOT. La mobilité DW η est également très grande, la plus élevée de tous les systèmes basés sur STT. L'ajustement de nos données à l'aide d'un modèle analytique 1D permet d'extraire une polarisation de spin des électrons de conduction de 0,81, ce qui suggère que Mn4N pourrait convenir à l'obtention de grandes magnétorésistances. De plus, ces propriétés étonnantes ont été obtenues sans aucun élément de terre rare, aucune structure d’empilement, ni assistance extérieure telle que des champs magnétiques / électriques ou des contraintes mécaniques.Enfin, les propriétés magnétiques ont été ajustées par une petite quantité d'introduction de Ni dans Mn4N. L'aimantation spontanée de Mn4N sur STO a été réduite par l'introduction de Ni avec maintien d'un PMA fort et rémanence totale. Ce résultat indique que le système ferrimagnétique Mn4N pourrait être compensé en substituant des atomes de Ni. Récemment, la compensation du ferrimagnet a été activement étudiée car le ferrimagnet compensé fournit une efficacité infinie en spin-couple. Les trois évidences de la compensation ont également été démontrées, l'inversion de l'angle de Hall anormal, la chiralité de rotation de Kerr et la dépendance de l'aimantation en fonction de la température. Le point de compensation de la composition a été estimé autour de Mn3.82Ni0.18N. Nous avons suggéré le modèle de compensation de Mn4N par l'introduction de Ni, qui est compatible avec la réduction par MS, l'inversion des courbes AHE, Kerr et M-T.En résumé, un potentiel de films Mn4N et Mn4-xNixN a été démontré comme un candidat prometteur pour les applications spintroniques telles que les dispositifs de mouvement DW induits par le courant avec de grandes propriétés: nucléation de domaine et propagation DW lisse, efficacité de génération de STT ultra-haute et accordabilité de la magnétisation par Ni-introduction. Ces propriétés étonnantes ont été réalisées sans terres rares ni métaux nobles, ce qui peut constituer une étape importante dans le remplacement des matériaux à base de terres rares par des éléments abondants. / A new spintronic material Mn4N has been investigated. Ferrimagnetic Mn4N thin films possess relatively small spontaneous magnetization Ms and strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and thus are suitable for spin-torque based memory devises. In addition, Mn4N is composed of only cheap, light and abundant elements without any rare-earth nor noble metals., thus free from material criticality. In this work, magnetic and magneto-transport properties of Mn4N grown on SrTiO3 (STO) substrate have been evaluated.First, the magnetic and magneto-transport properties of Mn4N thin films are evaluated, resulting in finding out dramatically improvement of them by replacing conventional MgO substrates by STO substrates. This Mn4N/STO system exhibits astonishing properties: a millimeter-sized domain structure, fully remnant magnetization at zero field and a sharp magnetization switching caused by scarce nucleation of reversed domain and smooth DW propagation. These properties, associated to a very small Ms and a large PMA, underline its potential for spintronic applications.Second, the generation efficiency of spin-transfer torque (STT) in Mn4N thin film has been measured by measuring the speed of domain wall (DW) driven by current pulses. The DW velocity reaches record values of 900 m/s for a current density of 1.3×10^12 A/m2. This value is the highest in all STT-driven systems and is comparable to the highest speed obtained using SOTs. The DW mobility η is also very large, the highest in all STT-based systems too. Fit of our data using a 1D analytical model allows extracting a spin polarization of the conduction electrons of 0.81, suggesting that Mn4N could be suitable to obtain large magnetoresistances. In addition, these amazing properties have been achieved without any rare earth elements, stack structures, nor external assistance such as magnetic/electric field or mechanical stress.At last, the magnetic properties have been tuned by a small amount of Ni-introduction to Mn4N. The spontaneous magnetization of Mn4N on STO has been reduced by Ni-introduction with keeping strong PMA and full remanence. This result indicates the ferrimagnetic Mn4N system might be compensated by substituting Ni atoms. Recently compensation of ferrimagnet has been actively studied because the compensated ferrimagnet provides infinite spin-torque efficiency. The three evidences of the compensation have also been demonstrated, the reversal of anomalous Hall angle, Kerr rotation chirality, and the temperature dependence of magnetization. The compensation point of composition has been estimated around Mn3.82Ni0.18N. We suggested the compensation model of Mn4N by Ni introduction which is consistent with the MS reduction, the reversal of AHE, Kerr and M-T curves.In summary, a potential of Mn4N and Mn4-xNixN films has been demonstrated as a promising candidate for spintronic applications such as current induced DW motion devices with great properties: scares domain nucleation and smooth DW propagation, ultrahigh STT generation efficiency, and tunability of magnetization by Ni-introduction. These amazing properties have been achieved without rare-earth nor noble metal, which can be a milestone for replacement of rare-earth-based materials by abundant elements.

A 2014 study by the US Department of Energy conducted at Lawrence Berkeley National Laboratory estimated that U.S. data centers consumed 70 billion kWh of electricity[1]. This represents about 1.8% of the total U.S. electricity consumption. Putting this in perspective 70 billion kWh of electricity is the equivalent of roughly 8 big nuclear reactors, or around double the nation's solar panel output[2]. Developing new memory technologies capable of reducing this power consumption would be greatly beneficial as our demand for connectivity increases in the future. One newly emerging candidate for an information carrier in low power memory devices is the magnetic skyrmion. This magnetic texture is characterized by its specific non-trivial topology, giving it particle-like characteristics. Recent experimental work has shown that these skyrmions can be stabilized at room temperature and moved with extremely low electrical current densities. This rapidly developing field requires new measurement techniques capable of determining the topology of these textures at greater speed than previous approaches. In this dissertation, I give a brief introduction to the magnetic structures found in Fe/Gd multilayered systems. I then present newly developed techniques that streamline the analysis of Lorentz Transmission Electron Microscopy (LTEM) data. These techniques are then applied to further the understanding of the magnetic properties of these Fe/Gd based multilayered systems. This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material.

La dynamique des paroi de domaine est utilisée dans de nombreux dispositifs de spintronique basés sur des micro et nanofils magnétiques pour la transmission et le stockage de l'information. La vitesse de la paroi de domaine est donc un des paramètres qui déterminent la vitesse de fonctionnement de ces dispositifs. Actuellement, un accent considérable est mis sur la compréhension de l'origine des grandes vitesses parois de domaines dans les microfils, qui peuvent atteindre 20 km/s. Dans ce travail, des fortes vitesses de parois ont été trouvées en présence de deux principaux facteurs: (i) une valeur relativement faible de l'anisotropie magnétique, et (ii) une distribution complexe de l'anisotropie magnétique due aux contraintes internes. En outre, la dynamique d'une paroi de domaine a été étudiée pour les échantillons à diamètre réduit, jusqu'à 1 μm. Il a été démontré que la dynamique d'une paroi de domaine est la même que dans les échantillons plus épais, ce qui confirme que les vitesses élevées ne sont pas seulement liées à la taille des microfils. L'observation directe de la structure de surface des parois de domaines par microscopie MOKE confirmé la forme de la paroi de domaine inclinée par rapport à l'axe du fil. Une nouvelle méthode a été proposée pour effectuer des observations sur des échantillons cylindriques. La structure inclinée de la paroi de domaine est jugée en partie responsable des valeurs élevées de vitesse apparente des parois de domaines mesurées par la méthode Sixte-Tonks dans ces microfils. / The domain wall dynamics is used in many spintronic devices based on the uniaxial ferromagnetic wires to transport and store information. Therefore, the domain wall velocity is one of the main parameters that determine the operation speed of these devices. Recently, a big attention is being paid to amorphous glass-coated microwires due to the very high domain wall velocities that reach up to 20 km/s. In this work, the fast domain wall propagation in amorphous glass-coated microwires was found in the presence of two main factors: (i) relatively low magnetic anisotropy, (ii) complex geometry of magnetic anisotropies given by internal distribution of mechanical stresses. The domain wall dynamics was examined in amorphous glass-coated microwires of reduced diameter down to 1 μm. It was shown, that the domain wall dynamics in these wires is the same as in wires of bigger diameter. It proves that the high domain wall velocities in microwires are not the effect of microwire diameter value. The direct observation of the surface domain wall structure by use of MOKE microscope confirmed that the domain wall is inclined relatively to the main axis. A new method for magneto-optical observation of the samples with cylindrical geometry was proposed. The inclined structure of the domain wall was found to be partially responsible for the high apparent domain wall velocity measured by the Sixtus-Tonks method in microwires. / Dynamika doménovej steny sa používa v mnohých spintronických zariadeniach na báze tenkých magnetických drôtoch na prenos a uchovávanie informácie. Rýchlosť doménovej steny je preto jedným z parametrov, ktoré určujú operačnú rýchlosť týchto zariadení. V súčasnosti je kladený značný dôraz na pochopenie pôvodu veľkých rýchlostí doménovej steny v mikrodrôtoch, kde rýchlosti dosahujú až 20 km/s. Veľké rýchlosti doménovej steny v mikrodrôtoch boli v tejto práci nájdené v prítomnosti dvoch faktorov: (i) relatívne nízka hodnota magnetickej anizotropie a (ii) zložitá distribúcia magnetických anizotropií daných vnútornými pnutiami. Navyše, dynamika doménovej steny bola študovaná aj na vzorkách s redukovaným priemerom až do 1 μm. Bolo ukázané, že dynamika doménovej steny je v týchto drôtoch rovnaká ako je tomu v hrubších vzorkách, čo potvrdzuje, že vysoké rýchlosti nie sú len efektom rozmeru amorfných, sklom potiahnutých mikrodrôtoch. Priame pozorovania povrchovej štruktúry doménovej steny pomocou MOKE mikroskopu potvrdili naklonený tvar doménovej steny vzhľadom na os drôtu. Bola navrhnutá nová metóda na vykonávanie magneto-optických pozorovaní valcových vzoriek. Naklonený tvar doménovej steny bol nájdený ako jeden z faktorov umožňujúcich zdanlivo veľké rýchlosti doménovej steny meraných Sixtusovou-Tonkosvou metódou na mikrodrôtoch.

We use gauge-invariant cosmological perturbation theory to compute one-point functions of active and inert scalar fields of the GPPZ RG-flow in AdS5. Linearized Einstein equations are computed and made gauge-invariant for D-dimensional Euclidean domain-wall geometry. We briefly review the procedure of holographic renormalization for the GPPZ RG-flow in AdS5 to get different one-point functions. The source-dependant vev of the operator dual to the ∆ = 3 active scalar field in the GPPZ solution is computed and agrees with literature. We also find the source-dependant one-point function of the operator dual to the ∆ = 3 inert scalar.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale du phénomène de transfert de spin. Ce mécanisme, introduit théoriquement en 1996 par J. Slonczewski, permet d'orienter l'aimantation d'un matériau ferromagnétique sans champ appliqué, mais seulement par injection d'un courant polarisé en spin et transfert de spin vers le matériau considéré. Les fortes densités de courant à injecter pour observer l'effet, de l'ordre de 107 A.cm-2, imposent le recours à des nanostructures. Nous avons suivi deux voies pour caractériser cet effet nouveau de transfert de spin depuis un courant vers une aimantation. D'une part, à l'instar des tout premiers résultats expérimentaux obtenus à Cornell University en 2000, nous avons étudié cet effet dans des piliers magnétiques submicroniques de Co/Cu/Co. Nous avons pu clairement mettre en évidence le renversement d'aimantation par un courant polarisé en spin a champ nul. Ensuite, nous nous sommes intéressés à la dépendance en champ des courants critiques. Cette étude approfondie nous a permis de tracer le diagramme de phase champ-courant, nous fournissant des informations importantes quant aux mécanismes microscopiques à l'origine du phénomène de renversement d'aimantation par injection de spin. La deuxième partie de ma thèse concerne le cas des barreaux de vanne de spin Co/Cu/NiFe dans lesquels la modification d'aimantation est due au déplacement de paroi magnétique induit par transfert de spin à partir d'un courant polarisé en spin. Pour des champs proche de zéro, une paroi magnétique peut être déplacée uniquement sous l'action du courant entre des centres de piégeage et, en accord avec les conclusions du modèle de Berger, le déplacement s'effectue dans des directions opposées pour des courants opposés. La densité de courant critique requise pour déplacer la paroi est de l'ordre de quelques 106 A/cm², un ordre de grandeur plus faible que les courants nécessaires pour entraîner un renversement d'aimantation dans les structures multicouches de type piliers. Ces mesures constituent la première mise en évidence directe et en temps réel de déplacement de parois par transfert de spin dans des nanostructures magnétiques.

Dans la première partie de cette thèse, nous étudions le renversement de l'aimantation de nanofils d'alliage FePt à forte anisotropie magnétocristalline. Lorsque la largeur du fil devient inférieure à la taille des dendrites, nous avons montré qu'il existe une transition du processus de renversement de l'aimantation, de la croissance de dendrites vers la propagation d'une paroi magnétique unique qui renverse tout le fil. Au-delà, la diminution de la largeur du fil jusqu'à la taille caractéristique du désordre et/ou de la rugosité moyenne conduit au renforcement de la coercivité. Ceci conduit finalement dans les fils ultra-fins à un renversement consistant en un mélange de nucléation de domaines et de propagation de parois magnétiques. Dans la deuxième partie, nous rapportons l'utilisation de la magnétorésistance de Magnon (MMR), qui provient de la contribution des magnons à la résistivité, pour mesurer le renversement d'aimantation, dans des nanostructures avec aimantation perpendiculaire (FePt) ou planaire (NiFe). Nous avons montré que la MMR peut être utilisée pour détecter le retournement de l'aimantation dans les nanofils et nano-aimants, et en particulier pour détecter la position d'une paroi magnétique le long d'un nanofil fabriqués à partir d'une couche unique. Enfin, nous étudions dans une dernière partie la dynamique de dépiégeage de paroi magnétique sous champ et sous courant, dans les deux systèmes FePt et NiFe. Nous observons trois types de dépiégeage de paroi, qui dépendent de la nature des défauts ou de la géométrie de la constriction. L'analyse statistique du temps de piégeage montre que le processus de dépiégeage peut être décrit comme procédant d'un chemin simple, de chemins en série, ou de chemins alternatifs. En outre, l'effet du courant sur tous ces mécanismes de dépiégeage s'est révélé équivalent à l'effet du champ appliqué, ce qui permet de mesurer l'efficacité du transfer de spin dans ces systèmes. Keywords: Magnetization reversal, magnon magnetoresistance, domain wall, spins transfer torque.

This thesis consists of three distinct components: (1) a test of Slocnzewski's theory of spin-transfer torque using the Boltzmann equation, (2) a comparison of macrospin models of spin-transfer dynamics in spin valves with experimental data, and (3) a study of spin-transfer torque in continuously variable magnetization. Slonczewski developed a simple circuit theory for spin-transfer torque in spin valves with thin spacer layer. We developed a numerical method to calculate the spin-transfer torque in a spin valve using Boltzmann equation. In almost all realistic cases, the circuit theory predictions agree well with the Boltzmann equation results. To gain a better understanding of experimental results for spin valve systems, current-induced magnetization dynamics for a spin valve are studied using a single-domain approximation and a generalized Landau-Lifshitz-Gilbert equation. Many features of the experiment were reproduced by the simulations. However, there are two significant discrepancies: the current dependence of the magnetization precession frequency, and the presence and/or absence of a microwave quiet magnetic phase with a distinct magnetoresistance signature. Spin-transfer effects in systems with continuously varying magnetization also have attracted much attention. One key question is under what condition is the spin current adiabatic, i.e., aligned to the local magnetization. Both quantum and semi-classical calculations of the spin current and spin-transfer torque are done in a free-electron Stoner model. The calculation shows that, in the adiabatic limit, the spin current aligns to the local magnetization while the spin density does not. The reason is found in an effective field produced by the gradient of the magnetization in the wall. Non-adiabatic effects arise for short domain walls, but their magnitude decreases exponentially as the wall width increases.

[Truncated abstract] In this dissertation we present a theoretical study of electron transport through domain walls, with a particular focus on conductance properties, in order to understand various transport measurements that have been carried out recently on ferromagnetic nanowires. The starting point for our work is a ballistic treatment of transport through the domain wall. In this case conduction electrons are generally only weakly reflected by the domain wall, and the principal effect is a mixing of transmitted electron spins between up and down states. For small spin-splitting of conductance electrons the latter can be characterized by an appropriate adiabaticity parameter. We then incorporate the effect of spin-dependent scattering in the regions adjacent to the domain wall through a circuit model based on a generalization of the two-resistor theory of Valet and Fert. Within this model we find that the domain wall gives rise to an enhancement of resistance similar to the giant magnetoresistance effect found in ferromagnetic multilayer systems. The effect is largest in the limit of an abrupt wall, for which there is complete mistracking of spin, and decreases with increasing wall width due to the reduction of spin mistracking. For reasonable physical parameter values we find order-of-magnitude agreement with recent experiments. Going beyond the assumption of ballistic transport, we then consider the more realistic case of a domain wall subject to impurity scattering. A scattering matrix formalism is used to calculate conductance through a disordered region with either uniform magnetization or a domain wall. By combining either amplitudes or probabilities we are able to study both coherent and incoherent transport properties. The coherent case corresponds to elastic scattering by static defects, which is dominant at low temperatures, while the incoherent case provides a phenomenological description of the inelastic scattering present in real physical systems at room temperature. It is found that scattering from impurities increases the amount of spin mistracking of electrons travelling through a domain wall. This leads, in the incoherent case, to a reduction of conductance through the domain wall as compared to a uniformly magnetized region. In the coherent case, on the other hand, a reduction of weak localization and spin-reversing reflection amplitudes combine to give a positive contribution to domain wall conductance, which can lead to an overall enhancement of conductance due to the domain wall in the diffusive regime. A reduction of universal conductance fluctuations is found in a coherent disordered domain wall, which can be attributed to a decorrelation between spin-mixing and spin-conserving scattering amplitudes.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Amorphous glass-coated microwires are materials with soft magnetic properties suitable for various technological applications, mainly magnetic sensors. One of the outstanding properties of microwires with positive magnetostriction is the magnetic bi-stability, that means, the inversion of the magnetization is done by one magnetic domain wall displacement along the wire. In this work it was developed a system to determine the domain wall speed in microwires and studied its dynamic. Particularly, were studied the relation between domain wall speed, magnetic field and magnetoelastic anisotropy in Fe77;5Si7;5B15 microwires. It has been verified that the main source of domain wall damping is the eddy-currents and spin relaxation, both with a strong relation with the magnetoelastic energy. The magnetoelastic energy is changed by the axial applied stress which, by its time, modifies the damping mechanisms. It was also verified that the domain wall damping present different behavior at low (mainly eddy-currents) and high applied stress (spin relaxation). / Microfios amorfos recobertos por vidro são materiais com propriedades magnéticas macias adequadas para várias aplicações tecnológicas, especialmente sensores magnéticos. Uma das propriedades interessantes dos microfios com magnetostricção positiva é a biestabilidade magnética, cuja inversão da magnetização se dá pela propagação de uma parede de domínio ao longo do material. Nesse trabalho foi desenvolvido um sistema para a determinação da velocidade de uma parede de domínio em microfios e estudada a dinâmica dessa parede. Em particular, foram estudadas as relações entre velocidade da parede de domínio, campo magnético e anisotropia magnetoelástica em microfios amorfos com composição nominal de Fe77;5Si7;5B15. Verificouse que os principais mecanismos de amortecimento das paredes de domínio têm origem nas microcorrentes de Foucault (eddy-currents) e na relaxação de spins, ambas com forte dependência da energia magnetoelástica. A energia magnetoelástica varia com a aplicação de uma tensão axial ao fio influenciando os mecanismos de amortecimento. Verificou-se também que a variação do amortecimento efetivo das paredes de domínio com a tensão tem comportamentos distintos a baixas (eddy-currents) e altas tensões aplicadas (relaxação de spin).

De tous les matériaux multiferroïques, BiFeO3 est celui qui est le plus étudié. C’est un ferroélectrique, antiferromagnétique dont les températures de transition sont bien au-dessus de la température ambiante. De plus, le couplage magnétoélectrique entre ces deux paramètres d’ordre a été observé aussi bien dans les cristaux que dans les couches minces. BiFeO3 possède également la plus grande polarisation ferroélectrique jamais mesurée, 100µC/cm². De gros efforts sont fournis pour comprendre et exploiter les propriétés physiques de ce matériau. Dans ce but, il est important de pouvoir contrôler sa structure en domaines afin d’étudier les phénomènes émergeant aux parois de ces domaines. C’est l’objectif de cette thèse : étudier quelques une des propriétés de BiFeO3, comme la photoélectricité et le magnétisme, tout en prêtant en parallèle une attention particulière à la caractérisation de ces propriétés, dans un domaine et dans une paroi, avec des techniques originales telles que la microscopie de photocourants à balayage (MPB) et le rayonnement synchrotron ou les champs magnétiques intenses. Les images obtenues par MPB, révèlent qu’un champ dépolarisant proche d’une paroi de domaine à 180° peut améliorer de manière significative le rendement des effets photoélectriques : les parois de domaines peuvent être générées et positionnées dans le but de contrôler localement le rendement de l’effet photoélectrique. De plus, l’imagerie de la figure de diffraction de surface d’un réseau de parois de domaines dans des couches minces, par diffusion magnétique résonante de rayons X, permet de montrer que les parois de domaines entraînent la formation de structures magnétiques particulières qui pourraient donner lieu à une aimantation. / Among all multiferroics, BiFeO3 is a material of choice because its two ordering temperatures are well above 300K. It is a ferroelectric antiferromagnet, and magnetoelectric coupling has been demonstrated in bulk and in thin films. Remarkably, BiFeO3 has the largest polarization of all known ferroelectrics (100µC/cm²). A huge research effort is carried out worldwide to understand and exploit the physical properties of this material which requires to design and tailor BiFeO3 on many scales. In this sense, developing methods and tools to control the domain structure is essential to explore new emergent phenomena arising at domain walls. This is the aim of the present PhD work. Some of the original properties of BiFeO3 have been investigated including its photoelectric and magnetic properties. A particular attention is given to characterize in a parallel fashion bulk properties and domain walls properties, using original techniques of characterization such as Scanning Photocurrent Microscopy (SPCM), scattering synchrotron facilities or high field pulses. SPCM mapping reveals that depolarizing fields in the vicinity of a 180° domain wall can significantly improve the photovoltaic efficiency. Thus domain walls can be generated and precisely positioned in order to tailor the local photovoltaic efficiency. Moreover, X-ray resonant magnetic scattering on thin films with periodic domain structure shows that domain walls generate specific magnetic structures with possible uncompensated magnetization.