Le remplacement des technologies DRAM et SRAM des mémoires caches est un enjeu pour l’industrie microélectronique qui doit faire face à des demandes de miniaturisation, de réduction des amplitudes et des durées des courants d’écriture et de lecture des données. Les mémoires à accès direct magnétiques (MRAM) sont des candidates pour une future génération de mémoires et la découverte des couples de spin-orbite (SOT) a ouvert la voix à une combinaison des deux technologies appelée SOT-MRAM. Ces mémoires sont très prometteuses car elles allient non-volatilité et bonne fiabilité, mais de nombreux défis techniques et théoriques restent à relever.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier le retournement de l’aimantation par couple de spin-orbite avec des impulsions de courant sub-nanoseconde et de diminuer les courants d’écriture à couple de spin-orbite. Ce travail est préliminaire à la preuve de concept d’une mémoire SOT-MRAM écrite avec des impulsions de courant électrique ultra-courtes et des amplitudes relativement faibles.Pour cela nous avons étudié des cellules mémoire à base de Ta-CoFeB-MgO. Nous avons vérifié les dépendances du courant critique en durées d’impulsions et en un champ magnétique extérieur. Nous avons ensuite, sur une cellule type SOT-MRAM, prouvé l’écriture ultrarapide avec des impulsions de courant inférieures à la nanoseconde. Puis nous nous sommes intéressés à la diminution du courant d’écriture de SOT-MRAM à l’aide d’un champ électrique. Nous avons démontré que ce dernier permet de modulerl’anisotropie magnétique. Sa diminution lors d’une impulsion de courant dans la liste de tantale montre que la densité de courant critique pour le retournement de l’aimantation du CoFeB par SOT est réduite. Ces résultats sont très encourageants pour le développement des SOT-MRAM et incitent à approfondir ces études. Le mécanisme de retournement de l’aimantation semble être une nucléation puis une propagation de parois de domaines magnétiques. Cette hypothèse se fonde sur des tendances physiques observées lors des expériences ainsi que sur des simulations numériques. / They require smaller areas for bigger storage densities, non-volatility as well as reduced and shorter writing electrical currents. Magnetic Random Access Memory (MRAM) is one of the best candidates for the replacement of SRAM and DRAM. Moreover, the recent discovery of spin-orbit torques (SOT) may lead to a new technology called SOT-MRAM. These promising technologies combine non-volatility and good reliability but many challenges still need to be taken up.This thesis aims at switching magnetization by spin-orbit torques with ultra-fast current pulse and at reducing their amplitude. This preliminary work should enable one to proof the concept of SOT-MRAM written with short current pulses and low electrical consumption to write a memory cell.To do so, we studied Ta-CoFeB-MgO-based memory cells for which we verified current dependencies on pulse lengths and external magnetic field. Then we proved the ultrafast writing of a SOT-MRAM cell with pulses as short as 400 ps. Next, we focused on reducing the critical writing currents by SOT with the application of an electric field. We showed that magnetic anisotropy can be modulated by an electricfield. If it can be lowered while a current pulse is injected through the tantalum track, we observed a reduction of the critical current density for the switching of the CoFeB magnetization. Those results are very promising for the development of SOT-MRAM and encourage one to delve deeper into this study. The magnetization switching mechanism seems to be a nucleation followed by propagations of magneticdomain walls. This assumption is based on many physical tendencies we observed and also on numerical simulations.

Des couches minces à base de NiFe2O4 et CoCr2O4 ont été réalisées par pulvérisation cathodique sur des substrats d'oxydes, dans le but de les intégrer dans des hétérostructures pour l'électronique de spin.<br />Il a été montré que la croissance épitaxiale permet la stabilisation de nouvelles phases de NiFe2O4 qui n'existent pas sous forme massive. Ces phases présentent une augmentation forte du moment magnétique ou la possibilité d'ajuster les propriétés électriques du matériaux. Nous expliquons l'augmentation du moment magnétique par une inversion partielle des sites cationiques du NiFe2O4, matériau dans lequel les ions Ni2+ sont répartis entre les deux sites de la structure spinelle. Les lacunes en oxygène sont susceptibles de favoriser un comportement conducteur en induisant des états de valence mixte Fe2+/3+ dans les sites octaédriques. <br />Des couches minces de NiFe2O4 conducteur ont été utilisées comme électrodes ferrimagnétiques dans des jonctions tunnel. Une magnétorésistance significative a été mesurée, correspondant à une polarisation de spin de 40% du NiFe2O4 pratiquement constante en température. Le NiFe2O4 isolant a été incorporé avec succès en tant que barrière tunnel ferrimagnétique au sein de jonctions de type "filtre à spin", ce qui en fait la première structure de ce type réalisée avec des oxydes complexes. <br />Il a été mis en évidence que les couches minces de CoCr2O4 ont une tendance forte à croître de manière tridimensionnelle de la forme des objets pyramidaux aux facettes parfaitement définies. Cette croissance auto-organisée de nano-objets et sa dépendance à l'égard des conditions de dépôt été étudie en detail.

Le nanomagnétisme est actuellement un champ d'investigation très actif grâce aux développements de méthodes de synthèse et d'investigation originales. Cette thèse s'attache à sonder le magnétisme de nanofils magnétiques synthétisés par un procédé polyol. Ce procédé présente l'avantage de fournir un large éventail d'objets magnétiques anisotropes présentant une très bonne qualité cristalline. Les nanofils ainsi synthétisés présentent des diamètres variant de 7nm à 20nm, leur conférant un mode de renversement de l'aimantation cohérent. Cette thèse montre que les nanofils ainsi synthétisés ont des coercivités élevées comparées à celles de nanofils synthétisés par d'autres voies. Par ailleurs, les effets de l'oxydation de ces nanofils sur leurs propriétés magnétiques ont été étudiés. Les mesures magnétiques ont révélé une dépendance en température des champs d'échange et coercitif non reportée jusqu'à présent dans la littérature. Cela a permis de mettre en lumière le rôle prépondérant des fluctuations superparamagnétiques des grains antiferromagnétiques d'oxyde de cobalt dans le phénomène d'Exchange Bias. Enfin, cette thèse a aussi eu pour objectif de développer la technique de Diffusion de Neutrons Polarisés aux Petits Angles pour sonder le magnétisme de nanofils. Jusqu'à présent, cette technique a été surtout réservée à l'étude d'objets magnétiques isotropes. En effet, l'alignement des nanofils est crucial pour extraire des informations quantitatives d'une telle étude. C'est pour cela, qu'outre les nanofils synthétisés par procédé polyol, des nanofils inclus dans des matrices d'alumine poreuse ont aussi été étudiés par cette technique. Cette étude a ainsi montré la nécessité de prendre en compte le champ dipolaire- habituellement négligé- dans l'analyse des figures de diffusion.

Le sujet de cette thèse est l'étude de nanofils de cobalt dans une matrice d'oxyde de cérium (CeO2) épitaxiée sur SrTiO3(001). L'auto-assemblage de nanofils a été mis en évidence lors de la croissance de couches minces de CeO2 fortement dopées au cobalt par ablation laser pulsée. Le caractère métallique du cobalt a été vérifié par des mesures d'absorption X au seuil K du cobalt réalisées au synchrotron. La formation de nanofils a été mise en évidence par des études de microscopie électronique en transmission en mode haute résolution et en mode d'énergie filtrée. Ces études combinées montrent la formation de fils métalliques de Co dans la matrice, orientés le long de la direction de croissance, de longueur limitée par l'épaisseur de la couche et de diamètre dans la gamme 3-7 nm. Ces nanofils constituent des systèmes modèles en nanomagnétisme. Deux assemblées de fils (diamètre 3 nm et 5 nm) ont été étudiées en détail. La structure interne des fils a été déterminée par microscopie électronique et le renversement de l'aimantation au moyen de mesures magnétiques statiques et dynamiques. L'anisotropie magnétique de ces systèmes a été sondée par résonance ferromagnétique. Ces mesures et leurs interprétations ont permis de mettre en évidence la localisation du renversement de l'aimantation dans les fils. Ce phénomène de localisation a été corrélé à la structure interne des fils, plus précisément à l'existence de grains hexagonaux au sein desquels l'anisotropie magnétocristalline est en compétition avec l'anisotropie de forme. L'ensemble de ces résultats a permis de corréler le comportement magnétique à la structure interne réelle de ces objets.

Le phénomène de Magnéto Résistance Géante (GMR) est une manifestation macroscopique de l'intrication entre les variables magnétique et électronique dans les systèmes ferromagnétiques. Depuis sa découverte expérimentale en 1988, de nombreuses théories semi-classiques ont permis de bien décrire ce phénomène dans le régime magnétique statique. Nous nous sommes intéressés au problème du comportement de l'effet GMR dans un capteur micrométrique de type vanne de spins soumis à un champ magnétique et/ou d'une tension hyperfréquences. Pour cela, nous avons étudié la réponse électrique du capteur en utilisant le principe de démodulation des signaux afin de nous affranchir des phénomènes parasites intervenant dans les mesures hyperfréquences. En comparant les mesures expérimentales avec un modèle semi-classique, nous montrerons comment l'étude de l'effet GMR permet de remonter à la dynamique de chacune des couches composant le système puis nous présenterons des résultats préliminaires montrant l'influence de la fréquence de la tension appliquée au capteur sur l'amplitude de l'effet GMR.<br /><br />Cette thèse porte sur le comportement de l'effet de Magnéto Résistance Géante (GMR) dans un capteur micrométrique de type vanne de spin soumis à un champ magnétique hyperfréquence et à une tension hyperfréquence. Nous avons pour cela développé une technique originale basée sur l'utilisation du capteur en tant que démodulateur in situ. L'étude de la dynamique de l'aimantation des vannes de spin grâce à des micro antennes nous permis de déterminer les lois régissant la résonance ferromagnétique de la couche douce du capteur et de mettre en avant le rôle des couplages dipolaires et des diffusions électroniques sur les phénomènes de relaxation. Ces résultats nous ont permis de modéliser la réponse de l'effet GMR en présence d'un champ hyperfréquence montrant par là même la très bonne sensibilité des capteurs à ce type d'excitation. De plus, la dynamique de la couche dure a pu être détectée grâce au profil fréquentiel de l'effet GMR. Enfin, nous avons obtenu un résultat préliminaire correspondant à une décroissance apparente de l'effet GMR lorsque la fréquence de la tension appliquée est supérieure à la fréquence de la résonance ferromagnétique de la couche douce.

La réduction des dimensionnalités de systèmes physiques implique des modifications substantielles des propriétés thermiques. Avec l'engouement pour les nanosciences et en particulier pour la nanophysique, les physiciens et chimistes ont cherché à savoir si la matière possédait les mêmes propriétés à petite échelle que dans les échantillons massifs. Depuis vingt ans de belles illustrations expérimentales de variations de propriétés électriques (magnétiques) ont été obtenues en physique mésoscopique, en matériau ou en magnétisme. En revanche les propriétés thermiques et thermodynamiques restent relativement mal comprises et ce pour plusieurs raisons: il est très difficile de contrôler les flux de chaleur à très petite échelle, les énergies mises en jeu pour des systèmes peu massiques sont très faibles et donc délicates à mesurer, et enfin la manipulation et la fragilité de ces petits systèmes transforme leur mesure en un défi expérimental. C'est ce que nous cherchons à faire dans ce travail.

Les purs courants de spin peuvent être créés dans des dispositifs latéraux, en utilisant des mesures non-locales dans des vannes de spin latérales, par l’effet Hall de spin ou encore des effets magnétocaloriques. Ils consistent en le flux d'électrons de spin-up dans une direction, et de spin-down dans la direction opposée, de sorte qu’il y ait un flux de moment angulaire sans flux net de charge. Ces propriétés de transport de spin sont étudiés dans des matériaux non-magnétiques, afin de limiter les effets joules ou les effets de champs Oersted, mais surtout pour permettre la création de dispositifs aux nouvelles fonctionnalités et principe de fonctionnement. En outre, l'absorption de courants de spin purs par un élément ferromagnétique est associé au mécanisme de transfert de spin et peuvent exciter des ondes de spin, induire des oscillations magnétiques conduisant à la commutation magnétique. Un sujet relativement indépendant, mais connexe est la manipulation de parois magnétiques (DWS) dans les nanostructures, qui soulève des questions fondamentales liées au mouvement de DW induit par courant, et sous-tend un certain nombre de technologies émergentes. Au cours de cette thèse, l'intention est d'explorer l'interaction entre les DWS et les courants de spin purs. L'idée principale est d'utiliser vannes de spin latérales pour créer et détecter les courants de spin, et des constrictions dans des nanofils de NiFe pour manipuler les DW, nous allons alors montrer comment ceci peut être utilisé pour générer depuis des DWS des courants de spin purs pour détecter efficacement l’effet Hall de spin. Réciproquement, les courants de spin ainsi généré peuvent être utilisés pour détecter très précisément la position ou la configuration micro-magnétique d'un DW. / The bulk effect of the interconversion between charge current and spin current is activated by spin Hall effect (SHE) and its inverse. It is vastly recognized that the SHE originate of the strong spin–orbit coupling in nonmagnetic materials. This thesis is focused on a proposal techniques to characterize SHE and inverse spin Hall effect (ISHE) in the ferromagnetic/nonmagnetic (F/N) nanostructure and electrical detection of magnetic domain walls by using SHE and ISHE. We will briefly give the cornerstones and the basic spintronic concepts, in order to ease the understanding of the work presented in this thesis, and the state-of-the-art of the SHE investigations. In the second part, a technique of F/N nanostructure are proposed and applied to detect the spin Hall angle and spin diffusion length of Pt. Then the technique will be used to characterize the SHE/ISHE in different materials, heavy metal and alloys. The influence of the interfaces in the device will also investigated. In the last of this manuscript, we demonstrate a domain wall (DW) detection method, based on the ability for a ferromagnetic nanowire, in which a DW is pinned, to inject or detect a PSC what can be produced/detected by SHE/ISHE.

Ce manuscrit est basé sur l'étude de l'interaction entre des purs courants de spin et parois de domaines magnétiques. Cet étude a été divisée en quatre parties. Dans la première partie, nous avons donné une explication détaillée du transport de spin dans des nano structure métalliques en utilisant trois approches différentes. La deuxième partie est focalisée sur l'utilisation d'un pur courant de spin pour induire le mouvement d'un paroi de domaine. Dans la troisième et quatrième partie nous avons mis en évidence deux nouvelle techniques d'injection et détection de spin en utilisant des parois des domaines magnétiques. / This thesis is based on the study of the interplay between pure spin currents and magnetic domains walls. This study has been divided in four chapters. In the first part, we provides a detailed explanation of the spin-transport in metallic structures by using three approaches. The second chapter concerns to the use of pure spin currents to induce DW motion in lateral spin valves. The third and four chapter, is mainly focused on the use of DWs for the efficient injection and detection of pure spin currents in lateral spin valves and cross shaped geometries.

Cette thèse traite de l'étude de films ultra minces de Fe par réflectivité magnétique résonante de rayons X mous (SXRMR). La technique de SXRMR associe les effets magnéto-optiques aux propriétés de diffusions des rayons X, ce qui permet sonder les propriétés magnétiques avec une résolution spatiale en profondeur. Un profil magnétique résolu en profondeur est donc dérivé des expériences, permettant d'étudier les effets des interfaces sur l'homogénéité des propriétés magnétiques. Dans un premier temps nous présentons l'étude d'un film mince de Fe sur un substrat vicinal d'Ag(116) recouvert par quinze monocouches d'Au. Cette étude révèle que l'aimantation est augmentée de 20 à 30$\%$ dans les deux à trois monocouches proches des interfaces d'Au et d'Ag, quelque soit la température et l'épaisseur de la couche de Fe. Nous avons également mis en évidence une inhomogénéité de la composante hors du plan à basse température pour des échantillons ayant un axe de facile perpendiculaire aux marches : la composante de l'aimantation hors du plan est de plus en plus grande lorsqu'on se rapproche du substrat vicinal d'Ag. Dans un deuxième temps, nous présentons l'étude d'un film mince de six monocouches de Fe sur du Cu(100) et recouvert par une couche d'Au. En utilisant une approche originale de contrainte sur les paramètres magnétiques, nous avons pû mettre en évidence que la dépendance de l'aimantation en fonction de la température n'était pas la même selon la position de la monocouches dans le film mince de Fe, comme prédit théoriquement par Sandratski. / This thesis deals about depth resolved magnetic profile of ultrathin Fe layers studied by soft X-ray Resonant Magnetic Reflectivity (SXRMR). This SXRMR technique combines magneto-optic effects to X-ray scattering allowing to be sensitive to magnetic properties as well as to be depth resolved. For each experiments, the depth resolved magnetic profile found allows to study interfaces effect on the homogeneity of magnetic properties. First, we present the study of a thin film of Fe grown on a vicinal substrate of Ag(116) and covered by fifteen monolayers of Au. This study reveal that the magnetization is enhanced of 20 to 30$\%$ int the two to three monolayers near both interfaces, whatever the temperature and the Fe thickness are. We have also discover an inhomogeneity of the magnetic out of plane component at low temperature for sample where the magnetization easy axis is perpendicular to the steps : the magnetic out of plane component is more and more important when we go strait to the vicinal substrate of Ag. Second, we show the study of a thin film of six monolayers of Fe grown on a Cu(100) substrate and covered by a Au layer. Using a new way of strain on magnetic parameter we have highlighted that the temperature dependance of the magnetization is not the same depending ont the position of the monolayer inside the Fe thin film as predicted by the theory of Sandratski.

La frustration est un concept physique qui apparaît lorsque toutes les interactions d'un système ne peuvent être satisfaites en même temps. La glace de spins artificielle est un exemple de système magnétique frustré par la compétition entre interactions dipolaires. Jusqu'ici, les propriétés de ce métamatériau ont été étudiées à l'aide de techniques microscopiques. Ces dernières ne permettent qu'un accès limité à la dynamique du système. Cette dernière pourrait être étudiée par les techniques de diffusion qui ont une meilleure résolution temporelle.La diffusion magnétique résonante des rayons-x mous (SXRMS) est une technique qui a une résolution spatiale comparable avec les tailles standards de la glace de spins artificielle. Le but de cette thèse est de démontrer que cette technique peut apporter des informations intéressantes sur l'organisation magnétique. Elle est organisée en deux parties principales. Tout d'abord, la fabrication d'échantillon est décrite étape par étape. Ensuite, les études de la glace de spins carrée et kagome sont présentées. Des signaux d'origine magnétique ont été enregistré qui apportent une vision de l'organisation magnétique. L'interprétation de ces signaux est complexe à cause de l'espace réciproque. Le dernier chapitre présente une série de mesures utilisant des techniques non-microscopiques sur des systèmes avec des fluctuations magnétiques.Les différentes études présentées montrent que non seulement la glace de spin artificielle peut être étudiée par la diffusion et les autres techniques apportent des informations sur le système. Cette thèse ouvre la voie à des techniques plus avancées comme, dans le domaine des rayons X, l'illumination de l'échantillon avec un faisceau cohérent. Le travail présenté est par conséquent une première étape vers l'étude de la dynamique dans la glace de spins artificielle. / Frustration is a concept in physics which appears when all interactions in a system cannot be satisfied at the same time. Artificial spin ice is an example of a magnetic system that is frustrated by the competition between the dipolar interactions. So far, the properties of this metamaterial has been studied by means of microscopic techniques with the disadvantage of a limited dynamical range. At a time when dimensions of the nanomagnets allow the access to fast dynamics using magnetic fluctuations, the time-resolution of scattering techniques could make them relevant for such studies.Soft x-ray resonant magnetic scattering (SXRMS) is a magnetic-sensitive technique with a resolution compatible with the dimensions of artificial spin ice. The scope of this thesis is to demonstrate that SXRMS can bring relevant information about the magnetic organisation in artificial spin ice. It is organized in two parts. The fabrication of scattering-compatible artificial spin ice samples is described step by step. Then, the studies of both artificial square and kagome spin ice are presented. Signals of magnetic origin have been recorded, bringing insights in the magnetic organization of the system. While most of the studies have been performed on static systems, a small chapter is presenting a serie of studies using non-microscopic techniques which include systems with fluctuating magnetic moments.The different studies performed within this thesis demonstrate that artificial spin ice can not only be studied by microscopy techniques, but that scattering and non-microscopic methods are also relevant. In particular, it opens the way to more advanced experiments such as, in the x-ray domain, the illumination of the system with a coherent beam in order to resolve the nature of the very short magnetic correlations using x-ray photon correlation spectroscopy technique. The presented work is therefore a first step toward the study of dynamics in artificial spin ice.