Ce mémoire de thèse a pour sujet la réalisation expérimentale d'un jet atomique ultrafroid guidé magnétiquement, dans le régime collisionnel. Après une description détaillée du dispositif expérimental développé à cette fin, une méthode de thermométrie par spectroscopie radio-fréquence est proposée et démontrée expérimentalement. Les variations de température, densité dans l'espace des phases et taux de collisions élastiques du jet au cours d'un cycle évaporation-rethermalisation sont calculées. Des expériences d'évaporation radio-fréquence à deux antennes sont ensuite présentées, qui permettent de prouver l'existence de collisions au sein du jet. Deux méthodes permettant d'augmenter le taux de collisions sont ensuite étudiées théoriquement, puis mises en oeuvre. Le gain en taux de collisions ainsi obtenu est mis à profit pour refroidir le jet à l'aide d'une dizaine de zones d'évaporation, permettant d'en accroître la densité dans l'espace des phases par un ordre de grandeur.

Le travail présenté dans ce mémoire a eu pour but une meilleure description et compréhension des structures spatiales et des variations temporelles du champ magnétique terrestre.<br /><br /> Dans une première partie, nous décrivons et utilisons deux méthodes de modélisation du champ magnétique terrestre.<br />La première méthode utilisée est le développement en harmoniques sphériques. En utilisant les mesures fournies par les observatoires magnétiques et par les récents satellites, Ørsted et CHAMP, et en leur appliquant des critères de sélection, nous avons calculé des modèles candidats aux DGRFs de 1995 et 2000.<br /> La seconde méthode que nous avons développée est la description du champ géomagnétique à l'aide des frames d'ondelettes de Poisson. Les comparaisons avec les harmoniques sphériques et les représentations de fonctions scalaires sur la sphère, illustrent la flexibilité de la méthode : le développement en frames d'ondelettes s'adapte à la répartition des données sur la sphère. Un même modèle en frames d'ondelettes comporte de petites échelles spatiales dans les zones où les données sont denses et des échelles spatiales plus grandes dans les régions où elles sont plus disparates. Les champs vectoriels dérivant de potentiels harmoniques, tels le champ magnétique et le champ de pesanteur, sont développés à partir des frames d'ondelettes.<br /><br /> Dans la seconde partie, nous étudions la variation temporelle du champ magnétique terrestre principal, la variation séculaire. Sa caractéristique la plus énigmatique est l'occurrence, à intervalles irréguliers, de brusques changements de sa tendance : les secousses géomagnétiques. Ces évènements sont détectables par l'analyse en ondelettes appliquée aux moyennes mensuelles des observatoires. Malheureusement, la distribution des observatoires est très irrégulière à la surface du Globe. Pour contourner ce problème dans l'étude des secousses géomagnétiques, une solution s'est alors imposée : l'utilisation de modèles de champ globaux et continus dans le temps, de type "comprehensive model". Nous avons ainsi étudié, par des méthodes simples, les répartitions temporelles et spatiales des secousses, vues par ces modèles, en tout point du globe sur les quatre dernières décennies. Nous nous sommes focalisé sur les secousses autour de 1971, 1980 et 1991 et avons mis en évidence des zones "aveugles", ou aucune secousse n'a été clairement détectée. Enfin, nous présentons une possible relation entre les secousses géomagnétiques et un paramètre physique à la surface du noyau, la pression dynamique absolue.<br /><br /> L'utilisation des ondelettes, en tant qu'outils de modélisation et d'analyse, permet d'explorer les échelles spatiales et temporelles du champ magnétique terrestre.

Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons à l'élaboration de réseaux de nanoplots magnétiques, afin d'en étudier les propriétés magnétiques. Les nanoplots sont élaborés sur Au(788), une surface spontanément pré-structurée et qui permet la croissance de réseaux avec un ordre à grande distance et une distribution de taille étroite. La première partie de ce travail consiste à étudier les mécanismes qui conduisent à la croissance organisée sur un réseau de pièges ponctuels. Nous établissons le lien entre la plage de température qui permet d'observer la croissance organisée et les paramètres énergétiques du problème. Ensuite, grâce à des études exhaustives de la croissance en fonction de la température de substrat, réalisées à l'aide d'un Microscope à Effet Tunnel à température variable, nous étudions la croissance du cobalt et du fer sur Au(788). La comparaison avec des simulations multi-échelles (Dynamique Moléculaire, Monte Carlo cinétique) nous permet alors de déterminer les mécanismes atomiques à l'origine de l'organisation. La deuxième partie de ce travail est consacrée à l'étude du magnétisme des nanostructures que nous savons former, et plus particulièrement à la détermination du lien entre la morphologie des plots et leur énergie d'anisotropie magnétique (MAE). Après une étude sur les limites du modèle du macromoment et du retournement cohérent de l'aimantation habituellement utilisé pour les nanostructures, nous nous intéressons aux propriétés magnétiques de nanoplots contenant une centaine d'atomes de cobalt. Grâce à la mesure de cycles d'hystérésis à différentes températures, nous déduisons la distribution de MAE dans l'échantillon. Celle-ci est large, contrairement à des résultats précédents sur des îlots plus gros. La comparaison avec la distribution de taille des îlots implique une relation non triviale entre la taille des îlots et leur MAE.

Ce travail de thèse traite de la synthèse et de l'étude des propriétés d'agrégats mixtes magnétiques. Ils sont produits à l'aide d'une technique de co-dépôt utilisant source à vaporisation laser couplée avec une cellule d'évaporation. Les agrégats Co-Ag ont un diamètre moyen de 3,1 nm. L'argent ségrége pour former une structure coeur(Co)-coquille(Ag). Les agrégats CoPt ont une énergie d'anisotropie magnétique (MAE) supérieure à celle d'agrégats de cobalt pur. Ils possèdent un diamètre moyen de 2 nm et sont nanocristallisés dans une phase cfc chimiquement désordonnée. Des mesures de transport électronique à travers un agrégat CoPt isolé ont permis d'observer les effets du blocage de Coulomb et les niveaux d'énergie électroniques discrets de la particule. Nous avons également mesuré l'influence d'agrégats magnétiques sur la densité d'états locale d'une matrice supraconductrice de niobium. Nous avons pu mettre en évidence l'apparition d'états électroniques à l'intérieure de la bande interdite.

L'objectif de ce travail a été la détection d'un magnéto-courant dans le transistor magnétique à base de double jonction tunnel. Ce magnéto-courant a pour origine l'émission d'un courant d'électrons chauds subissant un transport balistique et étant polarisé en spin. Des échantillons ont été élaborés par pulvérisation cathodique. Une technique innovante de prise de contact électrique des trois électrodes d'une double jonction tunnel par lithographie et gravure ionique a été mise en oeuvre. Il a été montré l'influence de cette structuration des échantillons sur les propriétés de transport des jonctions tunnels magnétiques. Grâce aux trois contacts, il a été possible de comparer les propriétés individuelles de la jonction inférieure et de la jonction supérieure, et ainsi de montrer l'influence de la position de la jonction sur ses propriétés de magnétorésistance : la rugosité cumulative des couches entraîne une dégradation des propriétés de transport. Enfin, des mesures en configuration transistor ont été effectuées. L'injection d'un courant d'électrons chauds a été mise en évidence, ainsi que la détection d'un magnéto-courant collecté. Un courant de fuite est également collecté dont la proportion par rapport au courant d'électrons chauds a été quantifiée. Son origine et les moyens de diminuer son importance ont été discutés.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin à base de semiconducteurs. L'intégration de matériaux magnétiques dans des structures semiconductrices représentent actuellement un axe de recherche en plein essor qui amènera probablement une nouvelle génération de composants électroniques où seront associés deux degrés de liberté : la charge et le spin des porteurs. La finalité de ce travail est la détection électrique d'une injection de spins dans un puits de GaAs. Pour cela nous avons préalablement étudié des couches minces du semiconducteur ferromagnétique GaAs substitué Mn et des jonctions tunnel magnétiques GaMnAs/AlAs/GaMnAs. L'étude des couches minces de GaMnAs a permis de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés magnétiques et électroniques et les jonctions tunnel ont permis de quantifier la polarisation en spin des porteurs du GaMnAs. Nous avons ensuite élaboré des structures où deux électrodes de GaMnAs sont séparées par un puits quantique AlAs/GaAs/AlAs. La première électrode permet de polariser les porteurs et la seconde d'analyser le courant polarisé en spin injecté dans le puits. La magnétorésistance (MR) dans ces structures est attribuée à un transport tunnel séquentiel avec accumulation de spins dans le puits de GaAs. La forte MR obtenue (40%) est la signature de la conservation du spin dans le puits et traduit ainsi que le temps de vie du spin des trous est supérieur au temps de séjour des trous dans ce puits. Les études de la MR en fonction de ces deux temps caractéristiques ont permis d'établir les conditions nécessaires afin de détecter une injection de spins dans un puits quantique semiconducteur. Ces expériences entièrement électriques nous ont aussi permis d'estimer le temps de vie du spin des trous dans ces puits de GaAs à la centaine de picosecondes à 4.2K.

Dans cette thèse, nous étudions deux problèmes mathématiques concernant les équations du micromagnétisme. Ces équations régissent la configuration de la magnétisation dans les matériaux ferromagnétiques qui entrent dans la fabrication des têtes d'enregistrement magnétique et des mémoires à lignes de Bloch. Dans la première partie, nous décrivons les propriétés physiques de ces matériaux et nous donnons une description sommaire de deux codes de simulation numérique qui ont été développés au LETI-CEA. Une configuration d'aimantation est un minimum d'une énergie composée de quatre termes : les énergies d'échange, d'anisotropie, démagnétisante et de Zeemann. De plus, l'aimantation est de norme constante. Il s'agit d'un problème de minimisation d'une fonctionnelle, sous contrainte non linéaire. Le terme d'énergie démagnétisante est non local, ce qui introduit des difficultés tant du point de vue théorique que numérique. La deuxième partie est consacrée à la présentation des méthodes que nous avons développées pour résoudre les systèmes linéaires qui apparaissent dans les codes de simulation. Nous avons utilisé une méthode de type gradient conjugué préconditionné et une méthode d'expansion couplée à la première méthode. Dans la troisième partie, nous démontrons que les singularités d'une configuration d'aimantation sont en nombre fini à l'intérieur du matériau. Nous utilisons, pour cela, la théorie introduite par Schoen et Uhlenbeck pour les fonctions minimisant l'énergie de Dirichlet sur la sphère unité. Nous avons du adapter cette théorie à l'énergie du micromagnétisme. Il a fallu, en particulier, tenir compte du caractère non local de l'énergie démagnétisante.

Nous avons étudiée le magnétisme et la morphologie de dépôt de Co, CoAu et Rh sur la surface d'Au(111), à différentes températures, par effet Kerr, microscopie à effet tunnel, diffraction d'électrons lents et spectroscopie Auger. En exploitant la reconstruction de l'Au(111) à 300 K, il est possible de former des agrégats auto-organisés, des chaînes et films d'atomes de Rh ou Co à partir d'un dépôt unique ou d'un codépôt CoAu. Contrairement aux dépôts à 300 K qui ont une anisotropie perpendiculaire entre 1.7 et 4 monocouches (MC), les dépôts de Co à 30 K ont une aimantation planaire dans cette gamme d'épaisseur. Lorsque ces films sont recuits à 300 K, une réorientation de l'aimantion se produit. L'évolution du magnétisme et de la morphologie du film après recuit, à 450 K, suggère une interdiffusion Co-Au qui nous a conduit à étudier l'influence de la température sur le magnétisme de films d'alliage CoAu sur l'Au(111). Pour les codépôts (0.4 à 14 MC) réalisés à 300 K, une démixtion ordonnée est observée sur les images STM. Les codépôts riches en Co (>50%) sont ferromagnétiques avec une anisotropie perpendiculaire, alors que ceux de Co50Au50 sont constitués d'amas de Co superparamagnétiques. Un codépôt de Co et Au à 30 K permet une croissance d'alliage métastable d'éléments immiscibles dans le volume, par limitation de la diffusion atomique. Nous avons étudié l'évolution de films entre 2 et 20 MC, riches en Co, en fonction de la température. A 30 K, les codépôts sont amorphes et non magnétiques. Après recuit à une température critique, un signal magnétique d'anisotropie perpendiculaire, apparaît. Cette évolution qui s'étale sur plusieurs minutes, voire heures selon l'épaisseur du film, est due à une séparation de phase dans le film d'alliage conduisant à une percolation ferromagnétique. Concernant le Rh, il s'agissait de vérifier l'existence du magnétisme prédit par des calculs, pour 1 MC sur métal noble. Dans nos conditions de croissance et de mesure, aucun signal magnétique n'a été détecté. Cette absence de signal magnétique peut s'expliquer, à 300 K par la formation d'un film rugueux et à 30 K par la formation d'un alliage de surface Rh-Au dans les premiers stades de la croissance.

L'observatoire Pierre Auger se propose de recueillir une statistique sans précédent concernant le spectre des rayons cosmiques d'ultra haute énergie. Les quelques données actuelles suggèrent une absence de coupure GZK, coupure liée à la distance d'atténuation des protons dans un milieu de propagation tel que le rayonnement fossile à 3K.<br> Après avoir étudié l'effet des champs magnétiques extragalactiques sur la propagation des rayons cosmiques et l'influence sur le spectre, une grande partie du chapitre consacré à la description de l'expérience Auger sera laissée au système d'acquisition des données.<br> L'étude des gerbes atmosphériques initiées dans la haute atmosphère sous incidence rasante est riche d'enseignements concernant la possibilité de détection de neutrinos. Une procédure de reconstruction de l'énergie des gerbes rasantes hadroniques est formalisée et appliquée aux événements du prototype dans le chapitre 4, et le calcul de la sensibilité aux neutrinos du détecteur complet est donné dans le chapitre 5.<br> Enfin, l'analyse des données de l'année 2002 du réseau prototype de l'expérience Auger est l'objet du chapitre 6.

Ce travail de thèse est constitué de deux parties distinctes. La première consiste en l'étude de la magnétorésistance de parois de domaines magnétiques dans des nanofils de cobalt monocristallin. Ces nanofils ont été fabriqués par lithographie électronique et gravure à partir de films minces épitaxiés, à forte anisotropie uniaxiale planaire. Le confinement de l'aimantation qui résulte de la nanos-tructuration affecte fortement sa distribution. Différentes configurations micromagnétiques sont induites dans ces fils selon qu'ils sont découpés parallèlement ou perpendiculairement à l'axe de facile aimantation cristallin. Ces configurations dépendent fortement de l'histoire magnétique. Le retournement de l'aimantation dans ces fils a été étudié en détail, à l'aide de mesures de magnétotransport. Celles ci ont été interprétées dans le cadre des modèles décrivant la magnétorésistance de parois et les effets galvanomagnétiques classiques des matériaux ferromagné-tiques. Il ressort de cette étude que la contribution magnétorésistive des parois est positive et augmente à basse température. La seconde partie de ce travail est consacrée à l'étude du magnétisme des réseaux de plots circulaires de cobalt polycristallin, fabriqués par nano-impression. Dans les réseaux les moins denses, où les interactions magnétosta-tiques entre plots sont négligeables, différents mécanismes de renversement de l'aimantation ont été identifiés en fonction des dimensions des objets: une rotation cohérente de l'aimantation ou la formation d'un, voire de deux vortex. Dans les réseaux les plus denses, les interactions magnétostatiques sont à l'origine de phénomènes de renversement collectif de l'aimantation. Elles entraînent la formation, par un processus d'avalanche, de chaînes de plots monodomaines ou contenant des vortex de sens de circulation identique. Elles imposent au processus de renversement, et notamment au champ de nucléation, d'être anisotrope, de symétrie identique à celle de la maille du réseau.