Le but de cette thèse est l'étude des propriétés de résonance ferromagnétique (RFM) de nanostructures et contacts atomiques. Pour ce faire, nous exploitons le fait que les propriétés de transport électrique sont dominées par le contact atomique, et nous utilisons une détection électrique. Nous avons développé un nouveau dispositif expérimental dans lequel un dispositif mécanique de jonctions à cassure est conçu pour un environnement hyperfréquence où les mesures électriques peuvent être réalisées avec des champs magnétiques statiques et dynamiques variables. Des nanostructures ont d'abord été mesurées pour déterminer la fiabilité et la grande sensibilité de notre système. Ensuite la susceptibilité, de parois de domaines à des fréquences supérieures à celles les propageant, a été déterminée comme indépendante de la fréquence. Cette susceptibilité était environ 10 fois supérieure à celle des domaines saturés. Le dispositif expérimental permet également d'étudier l'interaction entre courants de spins et propriétés dynamiques de nanostructures pendant la résonance ferromagnétique. Les courants de spins générés dynamiquement à la RFM ont été mesurés en utilisant l'effet Hall inverse de spin dans des nanostructures Py/Pt. L'influence, sur la RFM, des courants de spin inject'es par effet Hall de spin dans le platine, y a également été observée. Dans les contacts atomiques la RFM a aussi été étudiée à l'aide de mesures du signal rectifié. Lors de la cassure de nos nanostructures de cobalt ou de permalloy, de nouveaux modes de résonance apparaissent à des champs plus élevés que la résonance uniforme. Nous attribuons cet effet à la modification des champs démagnétisant lors de la réduction du diamètre de la constriction. Dans la géométrie du contact atomique, nous avons mesuré la résonance de parois de domaines contraintes. Dans ce cas, le signal rectifié généré par quelques atomes, dépend fortement de la fréquence et peut atteindre des valeurs 1000 fois supérieures à celles de la RFM des domaines avant cassure.

Ce travail est consacré à l'étude d'effets d'optique quantique et de dynamique de spin dans les microcavités semi-conductrices. La réponse optique de ces dispositifs est décrite en termes de modes mixtes exciton-photon, les polaritons de cavité.<br />Nous avons d'abord effectué une étude théorique et expérimentale d'un mélange à quatre ondes dégénéré, sous excitation résonnante par deux faisceaux pompe se propageant en sens inverse, de même polarisation linéaire. Les états finaux du processus ont une polarisation orthogonale à celle des faisceaux pompes et sont fortement corrélés en intensité. Lorsque les deux faisceaux pompes ont des polarisations croisées, le processus est totalement inhibé. Ce processus permet d'utiliser la microcavité comme une porte logique binaire optique.<br />Nous avons ensuite généré des photons corrélés quantiquement en utilisant un mélange à quatre ondes, sous excitation résonnante par un faisceau pompe, dans une microcavité triple.<br />Enfin, nous avons étudié l'effet Hall optique de spin et mis en évidence la propagation de courants de spin excitonique sur une centaine de microns.

Dans une première partie nous explorerons les effets d'impuretés désordonnées et paramagnétiques sur l'effet spin-Hall intrinsèque dans un gaz d'électrons bi-dimensionnel avec un couplage spin-orbite de Rashba. A faible désordre, la conductivité de spin-Hall reste proche de sa valeur d'échantillon pur, comme le montrent un calcul analytique de réponse linéaire et une étude numérique. De fortes fluctuations sont toutefois observées, elles augmentent avec l'importance du désordre. Pour caractériser la dynamique d'un paquet d'onde sur un réseau, nous mesurons sa taille, le taux de participation inverse, et sa dimension de corrélation. Le système subit une transition de localisation à une valeur critique du désordre. Dans le régime localisé, la densité locale d'états n'est plus uniforme et ne coïncide plus avec la densité totale d'états. Une corrélation antiferromagnétique entre les impuretés et les électrons de conduction est observée. Après la transition de localisation, la conductivité de spin augmente significativement. La première correction quantique dans le formalisme de réponse linéaire, contribue positivement à la conductivité de spin-Hall. Dans une seconde partie, le modèle de Hubbard avec double échange avec corrélations électroniques est étudié par la méthode du champ moyen dynamique (DMFT) dans l'approximation de non-croisement pour la résolution du problème d'impureté (NCA). Autour du quart remplissage, un polaron orbital est observé et décrit à l'aide d'un Hamiltonien effectif. Le double échange dans les semi-conducteurs magnétiques dilués est étudié dans l'approximation du potentiel cohérent (CPA). / Spintronics is a research area that is concerned with the storage and transfer of information by means of electron spins. In the first part we investigated the intrinsic spin Hall effect in the presence of disordered magnetic impurities in a paramagnetic state in a two dimensional electron gas with Rashba spin-orbit coupling. In the presence of weak magnetic disorder the spin Hall conductivity stays close to its universal (clean system) value, as shown by analytical linear response calculations and numerical simulations. Heavy spin conductivity fluctuations are observed, that increase with disorder strength. To investigate the spreading of a wavepacket on a lattice we measure the wavepacket width, the inverse participation ratio and the (2)-fractal dimension. It is shown the system undergoes a localization transition at a critical disorder strength. In the localized regime the local density of states is not uniform anymore. An anti-ferromagnetic correlation between electron spins and impurity magnetic moments is observed. Beyond the localization transition the spin conductivity increases significantly. The first quantum (Cooperon) corrections in the linear response formalism are shown to contribute positively to the spin Hall conductivity. In the second part the double exchange Hubbard model for correlated electron systems is studied using dynamical mean field theory (DMFT) with the non-crossing approximation (NCA). Around quarter filling an orbital polaron is observed, numerically and in an effective Hamiltonian. Double exchange in dilute magnetic semiconductors is studied using the coherent potential approximation (CPA).

La loi de Moore est basée sur l’observation empirique qu’environ chaque deux années, le nombre de transistors dans des circuits denses intégrées double. Cette tendance s'est bien maintenue au cours des dernières décennies (années 1970 et suivantes). Cependant, la miniaturisation continue des transistors entraîne une augmentation significative des pertes d’énergie par le courant de fuite, ce qui augmente la consommation d'énergie de veille. Cette perte d’énergie est devenue un problème majeur dans la microélectronique pendant les dernières années, ce qui rend plus difficile le développement des nouvelles technologies. L’une des solutions est de placer des éléments mémoire non-volatile dans le puce, qui retiennent la configuration du transistor pendant la mise hors tension et permettent de le restaurer à la mise sous tension. Les Magnetic Random Access Memories (MRAM) sont considérées par l'ITRS comme un candidat crédible pour le remplacement potentiel de SRAM et de DRAM au-delà du nœud technologique de 20 nm. Bien que les exigences de base pour la lecture et l'écriture d'un élément de mémoire unique sont remplies, l'approche actuelle basée sur Spin Torque Transfer (STT) souffre d'un manque inné de la flexibilité. Le courant électrique entraine le retournement de l’aimantation de la couche ferromagnétique libre par le transfert du moment angulaire d’une couche ferromagnétique adjacent. Ainsi les éléments de mémoire basées sur STT ont deux terminaux dont les voies de courant pour « écriture » et « lecture » sont définies par la forme de «pillar». L’optimisation indépendant des paramètres d’écriture et de lecture reste, donc, très difficile. Au même temps, la densité de courant trop haute, nécessaire pour écrire, conduit à la vieillissement prémature du jonction tunnel. En conséquence, l’intégration MRAM dans la technologie du semi-conducteur reste, donc, difficile.Démonstrations récentes de reversement d’aimantation entrainées par l’injection d’un courant planaire dans des heterostructures métal lourd/ferromagnet ont attiré l’attention croissante sur les couples de spin basé sur le transfert du moment angulaire par l’effet Hall de spin et les effets d’interface. Contrairement à STT-MRAM, la SOT-MRAM a trois terminaux, dont les voies de courant pour « écriture » et « lecture » sont indépendantes. Cela permet d’améliorer les paramètres « écriture » et « lecture » de manière indépendante. Pour contrôler et optimiser les SOT il est nécessaire de comprendre très bien leur origine. Cela reste l’une des plus importantes questions dont on n’a pas une réponse définitive. Dans ce contexte, plusieurs études ont conclu sur un modèle basé seulement sur l’effet Hall de spin, en même temps que d’autres ont suggéré un modèle basé sur une contribution combiné de l’effet Hall de spin et l’effet d’interface.L’objectif de cette thèse est de réaliser une étude systématique sur les effets d’interface sur les SOT dans des heterostructures métal lourde/ferromagnet a base de Pt, avec aimantation planaire.Dans ce but, cette thèse explore trois voies différentes. Premièrement nous avons modifié le rapport entre les effets d’interface et les effets bulk en changeant l’épaisseur de la couche de Pt et en suivant l’évolution des SOT. En deuxième nous avons exploré des différents empilements métal lourde/ferromagnet afin d’étudier différentes interfaces. Finalement, nous avons changé les propriétés des interfaces soit par changer la structure cristalline soit par oxydation. La technique de mesure, la méthode d’analyse de données associé et les aspects théoriques nécessaires pour l’interprétation des données sont aussi détaillés dans ce manuscrit. / Moore’s law is based on empirical observation and states that every two years approximately, the number of transistors in dense integrated circuits doubles. This trend has held up well in the past several decades (1970s and onwards). However, the continuous miniaturisation of transistors brings about a significant increase in leakage current, which increases the stand-by power consumption. This energy loss has become a major problem in microelectronics during the last several years, making the development of new technologies more difficult. One of the solutions that can address this issue is to place non-volatile memory elements inside the chip, that retain the configuration of the transistor during power-off and allow to restore it at power-on. Magnetic Random Access Memories (MRAM) are considered by the ITRS as a credible candidate for the potential replacement for SRAM and DRAM beyond the 20 nm technological node. Though the basic requirements for reading and writing a single memory element are fulfilled, the present approach based on Spin Transfer Torque (STT) suffers from an innate lack of flexibility. The electric current drives the magnetization switching of a free ferromagnetic layer by transferring angular momentum from an adjacent ferromagnet. Therefore, STT-based memory elements are two terminal devices in which the “pillar” shape defines both the “read” and the “write” current paths. Independent optimisation of the reading and writing parameters is therefore difficult, while the large writing current density injected through the tunnel barrier causes its accelerated ageing, particularly for fast switching. Consequently, the integration of MRAM into semiconductor technology poses significant difficulties.Recent demonstrations of magnetization switching induced by in-plane current injection in heavy metal (HM)/ferromagnet (FM) heterostructures have drawn increasing attention to spin-torques based on orbital-to-spin momentum transfer induced by Spin Hall and interfacial effects (SOTs). Unlike STT-MRAM, the in-plane current injection geometry of SOT-MRAM allows for a three-terminal device which decouples the “read” and “write” mechanisms, allowing the independent tuning of reading and writing parameters. However, an essential first step in order to control and optimise the SOTs for any kind of application, is to better understand their origin. The origin of the SOTs remains one of the most important unanswered questions to date. While some experimental studies suggest a SHE (Spin Hall Effect)-only model for the SOTs, others point towards a combined contribution of the bulk (SHE) and interface (Rashba Effect and Interfacial SHE). At the same time, many studies start with a SHE only hypothesis and do not consider interfacial effects. Furthermore, there are not so many systematic studies on the effects of interfaces. This thesis tries to fill in this gap, by providing a systematic study on the effects of interfaces on the SOTs, in Pt-based NM/FM/HM multilayers with in-plane magnetic anisotropy. For this purpose, this thesis explores three different, but related avenues. First, we changed the interface/bulk effect ratio by modifying the Pt thickness and following the evolution of the SOTs. Second, we explored different HM/FM/NM combinations, in order to study different interfaces. And third, we changed the properties of the interfaces by changing the crystallographic structure of the interface and by oxidation. The measurement technique and associated data analysis method, as well as the theoretical considerations needed for the interpretation of the results are also detailed in this manuscript.

Afin de réduire la consommation de puissance des futures générations de systèmesélectroniques, une solution est d’intégrer de la non-volatilité au sein même des cellulesmémoires. Dans cette optique, l’utilisation du retournement de l’aimantation d’un matériauferromagnétique comme support de l’information a été utilisée initialement dans un conceptde mémoire, la MRAM. La dernière évolution de cette technologie, la SOT-RAM, utilise desphénomènes nouveaux appelés SOTs afin de contrôler la direction de l’aimantation. Parrapport aux générations précédentes (STT-MRAM notamment), elle devrait permettred’améliorer la vitesse d’écriture en conservant une endurance adaptée pour des utilisations enmémoires cache où en mémoire centrale. Le terme SOTs est une dénomination généraledésignant l’ensemble des effets, encore mal connus, liés au couplage spin-orbite et permettantle retournement de l’aimantation d’une cellule mémoire.Ce travail de thèse a eu pour objectif d’étudier les SOTs via un système expérimental demesure quasi-statique basé sur les effets Hall extraordinaires et planaires. Sonimplémentation et la méthode d’analyse associée, ainsi que les considérations théoriquesnécessaires à l’interprétation des résultats sont détaillées dans ce manuscrit. Il a été montréque le retournement de l’aimantation dans des systèmes à aimantation perpendiculaire à basede cobalt-platine ne peut être expliqué par les modèles simples considérés jusqu’à présentdans la littérature. En effet, il a été mis en évidence qu’au moins deux effets simultanés doiventêtre pris en compte pour expliquer les phénomènes observés. Par ailleurs, ceux-ci présententune sensibilité différente à la fois à une altération de la structure cristalline et à une variationde température. / In order to reduce power consumption in next generations’ electronic devices, one potentialsolution is to implement non-volatility in memory cells. In this goal, the magnetizationswitching of a ferromagnetic material has been used in a memory concept: the MRAM. Thelatest development of this technology, called SOT-RAM, is based on new phenomena calledSOTs (Spin-Orbit Torques) in order to control magnetization direction. Contrary to precedentgenerations (STT-MRAM), it should achieve a higher operating speed and an enduranceadapted for cache and main memories applications. SOTs is a generic term referring to all theeffects, linked to the spin-orbit interaction, and that enable magnetization reversal. They areyet not perfectly understood.The main objective of this Ph.D. was then to study these SOTs through a quasi-staticexperimental measurement setup based on anomalous and planar Hall effects. Itsimplementation and the associated analysis method, as well as the required theoreticalconsiderations for data interpretation are detailed in this manuscript. It has been highlightedthat magnetization switching in perpendicularly magnetization cobalt-platinum systemscannot be explained by the simple models considered thus far in the literature. As a matter offact it has been evidenced that at least two effects have to be considered in order to explainobserved phenomena. In addition, they present different susceptibility both to a modificationof the crystal structure and to a temperature change.

Des mesures d’ondes de spin propagatives ont été réalisées pour caractériser deux effets de l’interaction spin-orbite ainsi que le transport électrique dépendant du spin. Les effets du couplage spin-orbite ont été étudiés dans des bicouches nickel-fer/platine. Dans ces films, les fréquences de deux ondes de spin contre-propageantes ne sont pas les mêmes, ce qui est attribué à l’effet combiné d’une interaction magnétique chirale appelée interaction Dzyaloshinskii-Moriya et d’une asymétrie dans l’épaisseur du film magnétique. En appliquant le courant électrique dans ce système nous avons observé une modification du taux de relaxation de l’onde de spin qui est attribuée au transfert de spin induit par effet Hall de spin. D’autre part, les études de propagation d’ondes de spin dans une couche mince de fer épitaxié à température ambiante ont montré une polarisation en spin du courant électrique de 83%, ce qui est attribué à une forte asymétrie du couplage électron-phonon. / Propagating spin wave measurements were realised to characterize two spin-orbit related phenomena, as well as spin dependent electrical transport. The effects of spin-orbit coupling have been studied in nickel-iron/platinum bilayers. It has been shown that in these films the frequencies of two counter-propagating spin waves are not the same, which is attributed to the combined effects of a chiral magnetic interaction named Dzyaloshinskii-Moriya interaction and an asymmetry of the magnetic properties across the film thickness. By applying an electrical current in such system we have observed a modification of the spin wave relaxation rate due to the spin transfer torque induced by spin Hall effect. On the other hand, from the study of spin wave propagation in thin epitaxial iron films at room temperature, a degree of spin polarization of the electrical current of 83% was extracted, which is attributed to a significant spin-asymmetry of the electron-phonon coupling.

Les mémoires non-volatiles (MNV) sont l'objet d'un effort de recherche croissant du fait de leur capacité à limiter la consommation statique, qui obère habituellement la réduction des dimensions dans la technologie CMOS. Dans ce contexte, cette thèse aborde plus spécifiquement deux technologies de mémoires non volatiles : d'une part les jonctions tunnel ferroélectriques (JTF), dispositif non volatil émergent, et d'autre part les dispositifs à transfert de spin (TS) assisté par effet Hall de spin (EHS), approche alternative proposée récemment pour écrire les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Mon objectif est de développer des modèles compacts pour ces deux technologies et d'explorer, par simulation, leur intégration dans les circuits non-volatiles.J'ai d'abord étudié les modèles physiques qui décrivent les comportements électriques des JTF : la résistance tunnel, la dynamique de la commutation ferroélectrique et leur comportement memristif. La précision de ces modèles physiques est validée par leur bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Afin de proposer un modèle compatible avec les simulateurs électriques standards, nous j'ai développé les modèles physiques mentionnés ci-dessus en langue Verilog-A, puis je les ai intégrés ensemble. Le modèle électrique que j'ai conçu peut être exploité sur la plate-forme Cadence (un outil standard pour la simulation de circuit). Il reproduit fidèlement les comportements de JTF. Ensuite, en utilisant ce modèle de JTF et le design-kit CMOS de STMicroelectronics, j'ai conçu et simulé trois types de circuits: i) une mémoire vive (RAM) basée sur les JTF, ii) deux systèmes neuromorphiques basés sur les JTF, l'un qui émule la règle d'apprentissage de la plasticité synaptique basée sur le décalage temporel des impulsions neuronale (STDP), l'autre mettant en œuvre l'apprentissage supervisé de fonctions logiques, iii) un bloc logique booléen basé sur les JTF, y compris la démonstration des fonctions logiques NAND et NOR. L'influence des paramètres de la JTF sur les performances de ces circuits a été analysée par simulation. Finalement, nous avons modélisé la dynamique de renversement de l'aimantation dans les dispositifs à anisotropie perpendiculaire à transfert de spin assisté par effet Hall de spin dans un JTM à trois terminaux. Dans ce schéma, deux courants d'écriture sont appliqués pour générer l'EHS et le TS. La simulation numérique basée sur l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) démontre que le délai d'incubation de TS peut être éliminé par un fort EHS, conduisant à la commutation ultra-rapide de l'aimantation, sans pour autant requérir une augmentation excessive du TS. Nous avons appliqué cette nouvelle méthode d'écriture à la conception d'une bascule magnétique et d'un additionneur 1 bit magnétique. Les performances des circuits magnétiques assistés par l'EHS ont été comparés à ceux écrits par transfert de spin, par simulation et par une analyse fondée sur le modèle théorique. / Non-volatile memory (NVM) devices have been attracting intensive research interest since they promise to solve the increasing static power issue caused by CMOS technology scaling. This thesis focuses on two fields related to NVM: the one is the ferroelectric tunnel junction (FTJ), which is a recent emerging NVM device. The other is the spin-Hall-assisted spin-transfer torque (STT), which is a recent proposed write approach for the magnetic tunnel junction (MTJ). Our objective is to develop the compact models for these two technologies and to explore their application in the non-volatile circuits through simulation.First, we investigated physical models describing the electrical behaviors of the FTJ such as tunneling resistance, dynamic ferroelectric switching and memristive response. The accuracy of these physical models is validated by a good agreement with experimental results. In order to develop an electrical model available for the circuit simulation, we programmed the aforementioned physical models with Verilog-A language and integrated them together. The developed electrical model can run on Cadence platform (a standard circuit simulation tool) and faithfully reproduce the behaviors of the FTJ.Then, using the developed FTJ model and STMicroelectronics CMOS design kit, we designed and simulated three types of circuits: i) FTJ-based random access memory (FTRAM), ii) two FTJ-based neuromorphic systems, one of which emulates spike-timing dependent plasticity (STDP) learning rule, the other implements supervised learning of logic functions, iii) FTJ-based Boolean logic block, by which NAND and NOR logic are demonstrated. The influences of the FTJ parameters on the performance of these circuits were analyzed based on simulation results.Finally, we focused on the reversal of the perpendicular magnetization driven by spin-Hall-assisted STT in a three-terminal MTJ. In this scheme, two write currents are applied to generate spin-Hall effect (SHE) and STT. Numerical simulation based on Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation demonstrates that the incubation delay of the STT can be eliminated by the strong SHE, resulting in ultrafast magnetization switching without the need to strengthen the STT. We applied this novel write approach to the design of the magnetic flip-flop and full-adder. Performance comparison between the spin-Hall-assisted and the conventional STT magnetic circuits were discussed based on simulation results and theoretical models.

Cette thèse porte sur l’étude des courants de spin et de l’effet Hall de spin dans des nanostructureslatérales. Des vannes de spin latérales Py/Al, Py/Cu et Py/Au, ont été fabriquées parlithographie électronique, puis optimisées et caractérisées par des mesures de magnéto-transport.Des mesures non locales, de GMR, et d’effet Hanle ont ainsi été enregistrées à 300K et 77K. De l’optimisation des vannes de spin latérales a découlé l’observation de fortes amplitudes designal de spin. De plus, les effets du confinement latéral et vertical de l‘accumulation de spin,par utilisation d’un canal non-magnétique confiné ou de barrières tunnel AlOx, ont été mis enévidence expérimentalement et décrits théoriquement. Des simulations par éléments finis et desanalyses basées sur les modèles de diffusion 1D ont été développées, permettant l’extraction de lapolarisation effective Peff et de la longueur de diffusion de spin lNsf des données expérimentales.Enfin, l’effet Hall de spin dans des matériaux à fort angles de Hall (Pt, aliage d’Au) a étéétudié dans des hétérostructures latérales et par pompage de spin à la résonance ferromagnétique. / This PhD thesis focus on the study of spin currents and of the spin Hall effect in lateralnano-structures. Lateral spin-valves based on Py/Al, Py/Cu and Py/Au, fabricated by meansof electron-beam lithography, have been optimized and characterized using magneto-resistancemeasurements. Non-local, GMR and Hanle effect measurements have been recorded at 300K and77K. The optimization of these lateral spin-valves allowed the observation of high spin signalamplitudes. Lateral and vertical confinement effects on the spin accumulation, by using confinednon-magnetic channel and AlOx tunnel barriers, were evidenced experimentally and describedtheoretically. Finite Elements Method simulations and analyses based on a 1D diffusion modelhave been developed, allowing the extraction from our experimental data of the effective spinpolarization Peff and of the spin diffusion length lNsf .Finally, the spin Hall effect of materials with high spin Hall angles (Pt, Au alloys) has beenstudied using both hybrid lateral nano-structures and spin pumping ferro-magnetic resonance.