Ce travail porte sur la simulation numérique des structures magnétiques dans les matériaux ferromagnétiques. Nous nous sommes intéressés au mouvement de parois et de lignes de Bloch en utilisant une approche bidimensionnelle. Le problème initial, équations de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG), est tridimensionnel. Il fallait donc simplifier le problème et le formuler en dimension deux avant de faire la simulation. Dans un premier temps, nous avons résolu numériquement le modèle simplifié des équations de (LLG) donné par Slonczewski. Nous avons calculé le champ démagnétisant dans le cas d'une paroi sans structure. Des études locales des ingularités du champ au niveau de la paroi ont été menées. Une formule de quadrature pour approcher le champ est aussi proposée. L'étude est ensuite généralisée au cas d'une paroi avec structure. La discrétisation du modèle de Slonczewski nous a conduit à étudier entre autres l'évolution d'une courbe sous l'influence de sa courbure. Un schéma semi-implicite est proposé et une méthode d'approximation de la courbure pour une courbe définie par un nombre fini de points est détaillée et analysée. Nous avons également développé un algorithme pour la résolution d'une équation aux dérivées partielles posée sur une courbe en mouvement. Dans un second temps, nous avons proposé un nouveau modèle simplifié des équations de (LLG). Il est donné par deux équations couplant la vitesse normale d'une courbe (centre de la paroi) et l'angle azimutal. Contrairement à Slonczewski, nous avons tenu compte des interactions entre lignes de Bloch. Nous avons terminé l'exposé par la validation des différentes discrétisations et approximations, des résultats de la physique sont obtenus: domaines en labyrinthes, translation d'une bulle, annihilation de deux lignes déroulantes, déplacement de deux lignes enroulantes. La différence entre les deux modèles est aussi dégagée

À la fois semi-conducteur et ferromagnétique, le Ga1-xMnxAs offre des potentialités intéressantes pour l'électronique de spin. Cette double propriété est due à l'interaction d'échange entre les spins localisés des atomes de manganèse Mn et les spins des porteurs de charge. Le travail présenté dans cette thèse est centré sur le contrôle de l'aimantation de ces structures magnétiques. Une étude expérimentale, comparative et détaillée, de l'anisotropie magnétique a été menée sur deux séries d'échantillons. Par ailleurs, une méthode d'analyse basée sur l'étude de la densité d'énergie libre magnétocristalline des systèmes observés a été développée en vue de confronter les résultats aux prédictions théoriques. Les mesures d'effet Hall et d'aimantation par SQUID sur des monocouches à aimantation planaire ont permis de mettre en évidence deux types d'anisotropie : une anisotropie cubique pour T < TC/2 avec un retournement d'aimantation par sauts de 90°, et une anisotropie uniaxiale pour des températures TC/2 < T < TC avec un renversement d'aimantation à 180°. La technique du recuit post-croissance réduit cependant l'anisotropie cubique au profit de l'anisotropie uniaxiale. Les structures à aimantation perpendiculaire présentent, quant à elles, un retournement d'aimantation à 180° pour toutes les températures T < TC. Par conséquent, dans ces dispositifs, l'anisotropie magnétique est fortement uniaxiale. En dernier lieu, cette étude porte sur la dynamique des domaines magnétiques et la détermination des vitesses de propagation de parois de domaines, induites par un champ magnétique. Les résultats révèlent une anisotropie de propagation de parois suivant les axes cristallographiques <110> avec deux régimes de vitesses distincts, dont l'un est fortement contrôlé par des défauts de structure. / At the same time semiconductor and ferromagnetic, the Ga1-xMnxAs offers interesting potentialities for spintronic. This double property is due to the exchange interaction between localized spin of Mn atoms and the spin charge carrier. The work presented in this thesis is centred on the magnetization control of these magnetic structures. A comparative and detailed experimental study of the magnetic anisotropy is carried out on two series of samples. An analysis method based on the free energy density study of the observed systems was also been developed to confront the results with theoretical predictions. The Hall effect and SQUID measurements on the structures with planar magnetization allowed us to bring to light two types of anisotropy: a cubic anisotropy for T < TC / 2 with a magnetization reversal by jumps of 90 ° and an uniaxial anisotropy for temperatures TC / 2 < T < TC with a reversal of magnetization in 180°. The structure with perpendicular magnetization present a magnetization switch at 180° for all temperatures T < TC. Consequently in these compounds, the magnetic anisotropy is strongly uniaxiale. Lastly this study deals the magnetic domains structures and the determination of domain wall propagation velocity. The results reveal an anisotropic domain wall propagation along crystallographic axes <110> with two distinct velocity regimes, including one strongly controlled by structural defects.

Je présente mon parcours scientifique au sein de l'IEF dont le fil conducteur est constitué par l'étude de l'impact des technologies sur les architectures de calcul. <br />Durant ma thèse au sein du département AXIS de l'IEF, j'ai étudié les architectures analogiques dédiées à la simulation d'un modèle stochastique de réseau de neurone, du point de vue de sa robustesse, des possibilités de compensation des défauts par apprentissage et des vitesses de simulation. Je montre comment les conclusions de ces travaux m'ont conduit à travailler sur les applications au traitement d'image et plus particulièrement sur des rétines programmables.<br />Ensuite, j'explique comment j'ai abordé la synthèse logique adaptée aux circuits à parois de domaines magnétiques à l'occasion d'une conversion thématique où j'ai rejoint le département NST de l'IEF. Enfin, je présente les développements récents sur l'utilisation des méthodes d'apprentissage d'inspiration neuronale permettant de donner une fonction à une assemblée de nanocomposants émergents organisée en cross-bar.

Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique des parois de domaine sous courant dans des couches ferromagnétiques ultra-minces de type métal lourd/ métal ferromagnétique/ oxyde présentant un fort couplage spin-orbite. Dans ces systèmes, deux éléments liés au fort couplage spin-orbite et l'asymétrie structurelle d'inversion jouent un rôle clé sur la dynamique des parois : d'une part, l'amplitude des couples de spin-orbite (SOT) exercés sur la paroi lors de l'injection de courant; d'autre part, l'amplitude de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya qui stabilise la structure Néel interne de la paroi. L'objectif de ce travail a été de caractériser les couples agissant sur la paroi induits par le courant ainsi que l'amplitude de l'interaction DMI.Pour y parvenir, j'ai mis au point une nouvelle technique de mesure basée sur la mesure des déplacements nanométriques induits par le courant d'une paroi piégée dans un nanoplot découpé dans le matériau magnétique. Cette mesure quasi-statique permet de s'affranchir des difficultés liées à la modélisation de la dynamique des parois magnétique sous courant en présence de défauts.Par ailleurs, le dispositif a été conçu de façon à ce que le courant et le champ magnétique externe statique puissent être appliqués dans différentes directions orthogonales, ce qui permet séparer clairement les contributions des couples de transfert de spin (NA-STT) et de spin-orbite (DL-SOT).Les mesures ont permis de caractériser le couple exercé sur la paroi par le courant en fonction d'un champ magnétique planaire pour un empilement Pt/Co/AlOx et ceci pour quatre orientations champ/courant différentes. Les résultats permettent d'écarter l'hypothèse d'une structure de type Bloch bi-stable.Dans le cas où le courant est injecté au travers de la paroi, la comparaison des résultats avec le modèle aboutit à une valeur du couple NA-STT très faible. Nos mesures faites avec le champ magnétique planaire permettent de conclure à un champ SOT de 7,5+/-0,5 Oe pour 10 MA/m² en accord avec les résultats de couple publiés précédemment dans le cas d'une paroi de Néel. Si les deux configurations donnent de mesures de couple SOT similaire, elles ne permettent pas de conclure sur la valeur de DMI dans ce système. L'origine de ces valeurs contradictoires reste à expliquer. / In this thesis, we studied the current induced domain walls (DWs) dynamics in ultra-thin ferromagnetic films of heavy metal/ ferromagnetic metal/ oxide type with a high spin-orbit coupling. In these systems, two ingredients linked to the high spin-orbit coupling and the structural inversion asymmetry play a key role on the DWs dynamics: the amplitude of the spin-orbit torques (SOT) acting on the domain when a current is injected; and the amplitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMi) which stabilizes the Néel structure of the DW. The purpose of this work was to characterize the current induced torques acting on the DW and the amplitude of the DMi.For that purpose, I developed a new measurement technique relying on the measurement of current induced nanometer size motion of a DW, trapped inside a nanodot patterned in the magnetic material. This quasi-static measurement enables to avoid the difficulties related to the modelling of the DW dynamics in the presence of defects.Besides that, the device has been designed to enable different perpendicular directions for the current and the external magnetic field, which enable a clear measurement of spin transfer (NA-STT) and spin-orbit (DL-SOT) torques contributions.The measurements allowed the characterization of the torque exerted by the current on the DW with respect to a planar magnetic field for a Pt/Co/AlOx stack in 4 different couples of field/current directions. The results allow to exclude the hypothesis of a Bloch structure for the DW.In the case where the current is injected through the DW, the comparison between the results and the model leads to a very weak value for the NA-STT. Our measurements made with the planar magnetic field leads to a value of 7,5+/-0,5 Oe per 10 MA/m² for the DL-SOT, which is in agreement with previously published results in the case of a Néel DW. If both configurations lead to similar measurements for the SOT, they don't permit to conclude on the exact value of the DMi in this system. The origin of these contradictories values is still to be understood.

L'étude du déplacement des parois de domaines magnétiques au moyen d'un courant électrique, par couple de transfert de spin, a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs de mémoires magnétiques utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans les matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et à fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite, reste néanmoins loin d'être acquise, tout comme son effet sur la propagation des parois de domaines.L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'influence de ce couple de spin-orbite sur la dynamique des parois. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de paroi sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx en présence d'un champ magnétique planaire, utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du couple de spin-orbite sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet asymétrique dans la dynamique de la paroi pour ce type de système.Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique d'une telle paroi a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Enfin, toujours dans le but d'expliquer l'effet asymétrique observé expérimentalement, une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope a également été proposée. / The study of current-induced magnetic domain wall motion through spin transfer torque has attracted a lot of attention in recent years, especially since new magnetic memories devices based on this effect have been proposed. Recently, a new mechanism allowing for highly efficient current-induced domain wall motion has been discovered in ultrathin asymmetric materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. However this mechanism, named spin-orbit torque, and its effect on domain wall motion are not yet well understood.The objective of this work was to study the influence of this spin-orbit torque on domain wall motion. For that, I have studied field- and current-induced domain wall motion in Pt/Co/AlOx trilayer, in the presence of an in-plane magnetic field. This work allowed highlighting the existence of an asymmetric effect in the domain-wall dynamics of this system.In order to explain this result, we have proposed a new kind of domain wall structure, resulting from Dzyaloshinskii-Moriya interaction in materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. Using analytic calculations and micro-magnetic simulations, this domain wall dynamics has been studied and compared to the experimental results. Finally, a second approach based on the presence of an anisotropic damping mechanism has also been proposed to explain the asymmetric effect observed experimentally.

La dynamique des parois de domaine magnétiques (DW) soulève actuellement un très fort intérêt à la fois du point de vue fondamental mais aussi en lien avec ses applications dans des dispositifs logique et mémoire. Des dispositifs nouveaux basés sur les DW ont déjà été proposés, par exemple présentant des très fortes densités de stockage et des taux de transfert élevés pour un remplacement des disques durs. De plus dans les Mémoires Magnétiques à Accès Aléatoire (MRAM), identifiées comme l'une des solutions les plus prometteuses pour le remplacement des DRAM et SRAM, le retournement de l'aimantation implique une propagation des DW. Le contrôle de la dynamique des DW sous courant est longtemps resté un challenge, principalement à cause d'imperfections dans les matériaux utilisés. Des déplacements rapides et contrôlé des DW au moyen d'un courant ont été reportés il y a quelques années seulement dans des multicouches présentant une asymétrie d'inversion (SIA). Plus récemment un mécanisme a été proposé basé sur la présence de couple de spin orbite (SOT) et de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), tout deux trouvant leur origine dans l'interaction spin-orbite et nécessitant une SIA.Mon objectif initial était de tester ce modèle dans deux systèmes présentant différents SIA. Dans des multicouches Pt/Co/Pt à faible SIA, j'ai étudié la propagation des DW sous courant et sous champ et j'ai mis en évidence l'existence d'un amortissement chiral. Ce phénomène nouveau, pendant de DMI pour les mécanismes dissipatifs, influence à la fois la dynamique sous courant et sous champ et doit être pris en compte pour avoir une description complète des mécanismes. Dans des multicouches Pt/Co/AlOx à fort SIA, j'ai étudié de nouvelles géométries pour lesquelles le mouvement de la paroi de domaine et la direction du courant ne sont pas colinéaires. J'ai mis en évidence un déplacement asymétrique des DW en fonction de cette non-colinéarité qui ne peut pas être expliquée avec un modèle simple DMI+SOT. En se basant sur ces résultats expérimentaux, j'ai introduit un nouveau concept de dispositifs, appelé « origami magnétique » : la forme du dispositif gouverne le mécanisme de retournement. Ce concept apporte une grande flexibilité dans la construction de mémoires magnétiques non volatiles, rapides et peu gourmandes en énergie : des fonctionnalités différentes peuvent être obtenues sur un même wafer simplement par la maîtrise de la forme des différents éléments. Je montre la preuve de concept de deux dispositifs. / Magnetic domain wall (DW) dynamics is currently attracting tremendous interest both from a fundamental point of view as well as in relation with emerging magnetic memory and logic devices. New DW-based devices were recently proposed, for example to replace hard drive disks with higher density and faster date transfer. Moreover, in Magnetic Random Access Memory (MRAM), identified as one of the most promising candidate for DRAM and SRAM replacement, switching occurs through DW propagation. Control of current induced DW dynamics has long been a challenge mainly due to material imperfections. Only some years ago, fast and controllable motions were reported in multilayers presenting structural inversion asymmetry (SIA). More recently, a mechanism was proposed based on the presence of spin orbit torques and Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), both phenomena originating from the spin orbit interaction and needing (SIA).My initial objective was to test this model in two systems presenting different SIA. In Pt/Co/Pt multilayers with weak SIA, I studied both current and field induced DW motion and evidenced a chiral damping. This new phenomena, counterpart of the DMI for the dissipative aspects, influences both current and field induced dynamics and has to be taken into account for a complete picture of the mechanism. In Pt/Co/AlOx multilayers with strong SIA, I studied new geometries where the DW motion the and current flow are not collinear. I evidenced asymmetric DW motion as a function of this non-collinearity that cannot be explained with a simple SOT+DMI model. Based on these experimental results I introduce a new device concept named “magnetic origami”: the shape of the device governs the switching mechanism. This concept provides large flexibility to construct fast, low power non-volatile magnetic memory: different functionalities can be achieved on a wafer by simply mastering the shape of the different elements. I show the proof of concept of two such devices.