L'ensemble de ce travail s'intègre dans le cadre d'une réflexion menée actuellement par plusieurs équipes de recherche sur le développement des techniques pertinentes de contrôle non destructif des matériaux ferromagnétiques doux par mesure de leur propriétés magnétiques. Nous nous sommes principalement intéressés à un alliage ferromagnétique relativement bien connu, le Fe-3,2%Si à grains non-orientés. L'étude du comportement mécanique en traction uniaxale a révélé l'existence de deux stades d'écrouissage et d'une forte composante cinématique. Cette composante est portée par une contrainte interne à longue distance de nature intergranulaire pour des faibles valeurs de la déformation plastique, intragranulaire quand des murs de dislocations apparaissent. Un dispositif permettant d'effectuer des mesures magnétiques in situ lors d'un essai de traction uniaxiale sur des matériaux de type tôles et feuillards magnétiques a été mis au point. Le Bruit Magnétique Barkhausen et des paramètres liés aux cycles d'hystérésis magnétique ont été déterminés sous contrainte dans le domaine élastique et plastique, ainsi qu'à l'état déchargé correspondant. L'effet d'une contrainte superposée à un état de déformation plastique a été aussi étudié. D'une part, les résultats ouvrent des perspectives quant au découplage des effets de l'ancrage des parois magnétiques sur les dislocations et de l'anisotropie magnétoélastique des contraintes internes. D'autre part, il en résulte qu'un choix approprié des paramètres magnétiques à mesurer permet une identification convenable des mécanismes de déformation : le stade de déformation purement élastique, la microplasticité, les deux stades d'écrouissage sont clairement mis en évidence. Les hypothèses proposées ont été validées par des caractérisations sur d'autres matériaux ferromagnétiques : un nickel polycristallin de haute pureté et un alliage FeCo-2%V.

En raison de leur constante d'anisotropie magnétocristalline particulièrement élevée,les nanoparticules de FePt cristallisant dans la phase " chimiquement " ordonnée L10présentent un grand intérêt pour la réalisation de média magnétiques discrets à très hautedensité (>1 Tb/in2) jusqu'à un diamètre limite de 3,5 nm. Nos travaux portent sur la synthèsepar voie chimique (thermolyse) de nanoparticules de FePt-ɣ, calibrées en taille (4 ≤ Ø ≤ 8 nm)et de composition chimique proche de Fe50Pt50. Par la suite, leur transition vers la variété L10est réalisée afin de leur assurer un comportement ferromagnétique fort à 300 K. En dépitd'une composition non homogène en fer au sein de chaque nanoparticule (coeur riche enplatine et surface davantage riche en fer), la phase L10 est obtenue après un recuit sousatmosphère réductrice (Ar/H2 5%) à des températures supérieures à 650°C. Par ailleurs, afinde prévenir la coalescence des nanoparticules lors du recuit, trois méthodes de protectionsdistinctes ont montré leur efficacité : une matrice de NaCl, des écorces de silice amorphe etde MgO cristallisé. Cette dernière méthode de protection a permis, une fois les recuitsréalisés, de redisperser les nanoparticules de FePt-L10 par le biais d'une modification de leursurface par des chaînes de Polyoxyde d'éthylène-thiol (Mn =2000 g.mol-1). Une encremagnétique est obtenue une fois ces nanoparticules mises en solution avec desmacromolécules de copolymères à blocs Polystyrène-b-Polyoxyde d'éthylène. Le dépôt decette encre sur un substrat permet de former, après auto-assemblage supramoléculaire desmacromolécules, un film hybride contenant les nanoparticules ferromagnétiques FePt-L10localisées sélectivement dans les domaines cylindriques de POE.

L'effet magnéto-impédant géant (MIG) traduit la forte variation de l'impédance d'un conducteur ferromagnétique soumis à une variation de champ magnétique externe. L'objectif de ce travail de thèse est l'optimisation des performances en bruit d'un magnétomètre à MIG. Ces dernières limitent ultimement le plus petit champ magnétique mesurable. Ainsi, nous présentons l'étude des propriétés physiques du matériau permettant d'évaluer la sensibilité propre de l'élément sensible à l'aide d'un modèle simpli fié. L'originalité de cette étude réside dans la prise en compte de la sensibilité exprimée en V/T, liée à l'amplitude d'excitation optimale, comme critère de performance. A fin d'accroître encore cette sensibilité, les dispositifs MIG sont associés à une bobine de capture. La réponse en champ du quadripôle ainsi constitué est modélisée. La capacité parasite de la bobine, identifi ée comme un facteur limitant, implique alors une fréquence d'excitation optimale propre à chaque élément sensible. Finalement, une modélisation globale des performances en bruit, intégrant de plus le conditionnement électronique, est développée. Celle-ci permet de prédire et d'analyser les performances en fonction des conditions de mise en oeuvre, notamment vis-à-vis du type de démodulation. Ces résultats valident l'intérêt de la structure quadripôle et apportent un éclairage important sur le choix du point de fonctionnement en champ statique du capteur. Ce travail permet alors de réaliser un magnétomètre optimisé. Il affi che des performances très honorables avec un niveau de bruit équivalent en champ inférieur à 1 pT/sqrt(Hz) en zone de bruit blanc.

En raison de leur constante d’anisotropie magnétocristalline particulièrement élevée,les nanoparticules de FePt cristallisant dans la phase « chimiquement » ordonnée L10présentent un grand intérêt pour la réalisation de média magnétiques discrets à très hautedensité (>1 Tb/in2) jusqu’à un diamètre limite de 3,5 nm. Nos travaux portent sur la synthèsepar voie chimique (thermolyse) de nanoparticules de FePt-ɣ, calibrées en taille (4 ≤ Ø ≤ 8 nm)et de composition chimique proche de Fe50Pt50. Par la suite, leur transition vers la variété L10est réalisée afin de leur assurer un comportement ferromagnétique fort à 300 K. En dépitd’une composition non homogène en fer au sein de chaque nanoparticule (coeur riche enplatine et surface davantage riche en fer), la phase L10 est obtenue après un recuit sousatmosphère réductrice (Ar/H2 5%) à des températures supérieures à 650°C. Par ailleurs, afinde prévenir la coalescence des nanoparticules lors du recuit, trois méthodes de protectionsdistinctes ont montré leur efficacité : une matrice de NaCl, des écorces de silice amorphe etde MgO cristallisé. Cette dernière méthode de protection a permis, une fois les recuitsréalisés, de redisperser les nanoparticules de FePt-L10 par le biais d’une modification de leursurface par des chaînes de Polyoxyde d’éthylène-thiol (Mn =2000 g.mol-1). Une encremagnétique est obtenue une fois ces nanoparticules mises en solution avec desmacromolécules de copolymères à blocs Polystyrène-b-Polyoxyde d’éthylène. Le dépôt decette encre sur un substrat permet de former, après auto-assemblage supramoléculaire desmacromolécules, un film hybride contenant les nanoparticules ferromagnétiques FePt-L10localisées sélectivement dans les domaines cylindriques de POE. / Nanoparticles made of FePt alloy in a face-centered-tetragonal (fct) structure have agreat interest for the enhancement of data density (> 1 Tbit/in²) in magnetic recordingmedia due to their high magneto-crystalline anisotropy and low critical diameters (3.5 nm).Our works lie in the synthesis of ɣ-FePt nanoparticles controlled in size (4 ≤ Ø ≤ 8 nm) andchemical composition (≈ Fe50Pt50) by thermal decomposition of organometallic precursors.Following ɣ-FePt NPs synthesis, annealing at high temperature is required for a completetransition from fcc to fct structure (L10) that ensure a ferromagnetic behavior at ambient.Despite a non-homogenous chemical composition on each nanoparticles (platinum-rich coreand iron-rich surface), L10 structure has been obtained after annealing under atmosphereAr/H2 (5%), at temperature up to 650°C. To prevent coalescence of FePt NPs duringannealing, tree distinct protection routes have shown their effectiveness: an inert NaClmatrix, an amorphous silica shell or a crystalline MgO shell. This last method shows bestresults in redispersion of L10-FePt nanoparticles after annealing via surface modification ofnanoparticles by PEO-thiol chains (Mn =2000 g.mol-1). A magnetic ink is then formulated inpresence of PS-b-PEO macromolecules. At least, this as-made ink is deposited on a substrateto obtain, after copolymer self-assembly, a hybrid film containing ferromagnetic L10-FePtnanoparticles selectively located into PEO cylindrical domains.

Depuis longtemps, les dispositifs ou systèmes électromagnétiques sont omniprésents dans les milieux industriel et domestique. Le circuit magnétique de ces systèmes est un des éléments clefs d’une conversion énergétique efficace. Outre l’optimisation de la géométrie du circuit magnétique, la maîtrise de l’efficacité énergétique passe par l’utilisation de matériaux magnétiques performants et par une connaissance approfondie de leur comportement, notamment sous contraintes élevées comme les températures et fréquences élevées que l’on rencontre de plus en plus aujourd’hui. Notre travail s’intègre dans le cadre des recherches menées par l’équipe matériaux du laboratoire AMPERE, notamment sur les modèles comportementaux de matériaux magnétiques. Partant de nombreuses caractérisations expérimentales en fonction de la température, nous avons développé un modèle « dynamique » adapté à différents types de matériaux ferromagnétiques, et permettant de simuler rapidement l’influence de la température sur le fonctionnement permanent et transitoire de systèmes électromagnétiques simples. Il s’appuie sur l’association des modèles d’hystérésis de Jiles-Atherton et dit « tubes de flux ». Ce modèle, et la démarche associée de couplage entre phénomènes magnétique, thermique et électrique, sont validés sur un capteur de courant et une inductance. Les résultats confirment l’importance de l’effet de la température sur les performances des systèmes, et la pertinence de disposer d’un tel modèle pour optimiser ces systèmes / Since a long time, systems and electrical devices are everywhere in the industrial and domestic environments. The magnetic core of these systems is a key for achieving energy conversion efficiency. Apart from the geometry optimization, high performance materials are mandatory for obtaining an effective energy conversion, as well as deep knowledge of their behaviour. The choice of materials is even more important when strong constraints are imposed, like high temperature and high frequency, which are more and more met nowadays. Our work is taken on in the context of the research activity on the modeling of the behaviour of magnetic materials of the “materials” team of AMPERE-Lab. Starting from a large number of experimental characterizations of materials at different temperatures, we have developed a “dynamic” model adapted to the different kinds of magnetic materials, which allows to quickly simulate the effect of temperature on the steady-state and transient regime of simple electromagnetic systems. It is founded on using Jiles-Atherton’s hysteresis models together with the so called “flux tubes”. This modelling and the associated approach of coupling electrical, thermal and magnetic phenomena are validated on a current sensor and an inductance. The results confirm the importance of the effect of the temperature on the performances of systems, and the interest of having such a model so as to optimizing these systems

Les alliages ferromagnétiques à mémoire de forme (FSMAs: Ferromagnetic shape memory alloys) avec des compositions proches de Ni2MnGa ont attiré beaucoup d’attention en raison de leur effet de mémoire de forme gigantesque et de leur réponse rapide et dynamique. Dans ce travail, une investigation de ces matériaux via des calculs ab initio est effectuée en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) à l’aide du logiciel VASP. Pour la composition stoechiométrique de Ni2MnGa, alliage ferromagnétique à mémoire de forme, l'oscillation du moment magnétique de Ni qui dépend du réarrangement atomique dans la superstructure, domine la distribution du moment magnétique total par unité Ni2MnGa. Le changement de moment magnétique total unité Ni2MnGa associé à la structure a été déterminé comme augmentant de l'austénite cubique à la martensite NM tétragonale à travers les martensites modulées monocliniques. Pour les alliages Ni2MnGa ferromagnétiques à mémoire de forme hors-stoechiométrie, le dopage au Ni stabilise la martensite non modulée (NM) avec la structure cristalline tétragonale simple, tandis que le dopage approprié au Mn stabilise la martensite modulée à sept couches (7M) avec une structure monoclinique. Expériences de La transformation martensitique subit une force motrice nettement plus considérable que celle de la transformation intermartensitique. En outre, le moment magnétique total des trois séries d'alliages est principalement dominé par leur teneur en Mn avec une faible dépendance de l'état de phase. Les moments moyens du Ni et du Mn montrent une dépendance à la fois de la composition et de l’ d'état de phase. La perturbation des moments magnétiques par substitution d'atomes est principalement localisée dans les antisites et ses proches voisins. Elle est principalement dominée par leur environnement en Mn (distance et nombre). L’examen des aspects fondamentaux tels que la stabilité de phase et des propriétés magnétiques des ferromagnétiques à mémoire de forme Ni-Mn-Ga est d'une grande importance pour améliorer les performances fonctionnelles et de concevoir de nouveaux FSMAs prometteurs. / Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) with chemical composition close to Ni2MnGa have received great attention due to their giant magnetic shape memory effect and fast dynamic response. In this work, a series of first–principles calculations have been performed within the framework of the Density Functional Theory (DFT) using the Vienna Ab initio Software Package (VASP). For the stoichiometric Ni2MnGa ferromagnetic shape memory alloy, the oscillation of Ni magnetic moment that depends on the atomic shuffling in the superstructure dominates the distribution of the total magnetic moment per Ni2MnGa unit. The structure change-associated total magnetic moment has been found to increase for Ni2MnGa unit from the cubic austenite to the tetragonal NM martensite through the monoclinic modulated martensites. For the off-stoichiometric Ni2MnGa ferromagnetic shape memory alloys, Ni-doping stabilizes the non-modulated martensite (NM) with simple tetragonal crystal structure, whereas proper Mn-doping stabilizes the seven-layered modulated (7M) martensite with monoclinic structure. Martensitic transformation experiences much larger driving force than that of the intermartensitic transformation. Moreover, the total magnetic moment of the three series of alloys is mainly dominated by their Mn content with little phase state dependence. The average Ni and Mn moments display both composition and phase state dependences. The perturbation of the magnetic moments by atom substitution is mainly located in the antisite and its close neighbors. It is mainly dominated by their Mn environment (distance and number). Insights into fundamental aspects such as phase stability and magnetic properties in Ni-Mn-Ga FSMAs are of great significance to improve the functional performances and to design new promising FSMAs

Cette thèse étudie expérimentalement le mécanisme de couplage entre les degrés de liberté de charge et de spin dans des doubles boîtes quantiques et des cavités supraconductrices de grande finesse. Nous utilisons des nanotubes de carbone comme conducteurs cohérents pour nos boîtes quantiques. Nous avons conçu une expérience et développé de nouvelles méthodes de fabrication afin de pouvoir contrôler ces dispositifs. Avec ces méthodes, nous examinons le couplage résonant entre les transitions électroniques de charge dans les boîtes quantiques et la cavité micro-onde. Nous poussons le système hors équilibre pour caractériser sa dynamique et extraire ses paramètres intrinsèques. Nous étudions la possibilité d'un couplage de photons uniques avec un spin électronique individuel, en utilisant des champs effectifs non colinéaires induits par des interfaces ferromagnétiques comme ingrédient clef pour construire ce couplage. Les résultats préliminaires dans cette architecture en circuit sont prometteurs pour de futures expériences d'électrodynamique quantique en cavité avec des spins uniques.

La génération de seconde harmonique magnétique (mSHG pour magnetic Second Harmonic Generation) est un phénomène physique très sensible apparaissant grâce aux brisures de symétrie aux niveaux des surfaces et interfaces des structures métalliques magnétiques. Elle constitue donc un outil puissant pour explorer ce type d'interfaces et des nanostructures. Dans ce travail, nous nous intéressons aux couplages et interactions entre la mSHG et les ondes électromagnétiques pouvant se propager en surface des matériaux. Un intérêt spécifique est porté sur l’ excitation de (i) plasmon polaritons de surfaces (SPP) dans des films métalliques en structures multicouches, (ii) d'anomalies de diffraction (dîtes de Wood) dans des nanostructures métalliques périodiques. Pour étudier l'influence de l'excitation linéaire et non-linéaire des SPP sur la mSHG, l'intensité du signal réfléchi par génération de seconde harmonique (SH) et le contraste magnétique lié à ce signal ont été mesurés par la technique de l'effet Kerr magnéto-optique transverse (MOKE) en fonction de l'angle d'incidence. Via l'utilisation de sources lasers femtosecondes émettant dans le proche infrarouge, domaine spectral où les variations de la dispersion des SPP et du coefficient d'amortissement sont significatives, nous avons pu distinguer les différentes contributions linéaires et non-linéaires aux processus d'excitation. Ce travail de thèse a ainsi permis de montrer que l’accord de phase entre la mSHG et les ondes électromagnétiques de surface peuvent contribuer très efficacement à l'augmentation des signaux SH et de contraste magnétique associé. / Owing to surface and interface sensitivity, the magnetic Second Harmonic Generation (mSHG) represents a useful tool to probe magnetic interfaces and nanostructures. This work investigates the coupling and interaction of the mSHG with electromagnetic waves propagating along the surface. Two types of surface waves have been studied: (i) surface plasmon polaritons (SPP) at surfaces of metallic thin films and multilayers, and (ii) the diffraction anomaly at the surface of periodically arranged metallic nanostructures. To study influence of linear and nonlinear excitation of surface waves on the mSHG, the reflected second harmonic (SH) intensity and the magnetic SH contrast in the transverse magneto-optical geometry were measured as a function of the angle of incidence. The use of different femtosecond light sources in the near-infrared optical range, where the SPP dispersion and damping exhibit significant variations, made it possible to disentangle linear and nonlinear contributions to the excitation of surface waves. In this thesis, it is proven that phase-matching of the mSHG and surface electromagnetic waves can lead to the enhancement of both the SH yield and the nonlinear magneto-optical signal. These results are important for controlling of the nonlinear magneto-optical response and could impact the development of magnetic storage devices, label-free biosensors and nonlinear magneto-optical switches.