Cette thèse a pour objectif l'étude des parois de domaines magnétiques, et plus généralement des textures magnétiques, dans des nanostructures. Ce travail est motivé par le couplage entre les électrons responsables du magnétisme et ceux de la conduction électrique, appelé transfert de spin, qui donne lieu à la dynamique de parois de domaines sous courant de spin. La connaissance du comportement dynamique et des caractéristiques statiques de telles structures est alors indispensable. L'outil principalement utilisé dans de ce travail est la microscopie à force magnétique, et ce présent dans l'ensemble des sujet abordés. L'étude principale de ce travail concerne la mise en évidence expérimentale de l'automouvement de paroi dans des nanopistes de NiFe. Nous avons montré ce phénomène dans le cas d'une transformation de parois puis analysé l'importance qu'il a pour la dynamique de parois dans le cas général aux impulsions courtes. Les propriétés statiques ont aussi été étudiées par des mesures de magnétorésistance anisotrope pour des parois soumises à un champ magnétique tournant quasi-statique. Finalement, L'aspect “nouveaux matériaux” étant un des grands axes de recherche concernant le transfert de spin, une troisième partie a été consacrée à l'étude de la distribution d'aimantation complexe des nanostructures de NiPd. Pour tous les sujets abordés dans ce travail, des calculs micromagnétiques ont été effectués pour appuyer notre compréhension.

L'étude de la dynamique des parois de domaines dans les nano-systèmes ferromagnétiques est cruciale pour le développement des dispositifs de stockage de l'information basés sur le déplacement et le contrôle des parois. Ces dispositifs ont plusieurs avantages : non-volatilité, rapidité d'exécution, haute densité de stockage, et faible consommation de l'énergie. En utilisant des méthodes micro-magnétiques et analytiques, nous avons constaté que l'interaction entre deux parois affectait les processus de dépiégeage sous champ magnétique, dans des nanofils en nickel à géométrie cylindrique et planaire. Nous avons mis en évidence des comportements non linéaires de la dynamique d'une paroi piégée, qui varient selon le matériau et le type de piège utilisé. Les diagrammes de phases représentant l'exposant de Lyapunov ont permis la distinction entre des zones chaotiques et périodiques, en fonction de la fréquence et de l'amplitude d'une excitation harmonique. Nous avons présenté des résultats sur la manipulation précise d'une paroi transverse sous impulsions de courant dans un nanofil planaire en nickel, structuré par une multitude de défauts artificiels. Nous avons montré que le positionnement exact de la paroi à température ambiante est possible uniquement pour des impulsions symétriques de très courte durée. Des effets inertiels pouvant s'opposer au couple de transfert de spin, ou au contraire l'amplifier ont été observés. Ces derniers résultats ouvrent une route vers le déplacement des parois dans les deux directions par des impulsions unipolaires de courant. / The study of the domain wall dynamics in ferromagnetic nano-systems is crucial for the developement of data-storage devices based on control and displacement of the domain walls. These devices have several advantages : non-volatility, fast execution time, high density, and low power consumption. Using micromagnetics and analytical methods, we have shown that the interaction between two domain walls influences the depinning process under magnetic field, in cylindrical and planar shaped nickel nanowires. We highlighted the nonlinear behaviour of the dynamics of a pinned domain wall, which varies with the material properties and the type of the pinning sites. The Lyapunov phase diagrams display chaotic and periodic regions function of the amplitude and frequency of a harmonic excitation. We have also presented results about the precise manipulation of transverse domain walls by current pulses in a nickel planar nanowire with artificial defects. We have shown that exact positioning of the domain walls at room temperature is possible only for very short symmetric current pulses. We observed inertial effects which can oppose or amplify the spin transfert torque effect. These results open a route to domain wall displacement in both directions with unipolar current pulses.

Les milieux Kerr soumis à des faisceaux optiques contrapropageants provenant, soit d'une cavité Pérot-Fabry plan-plan ou d'une boucle de rétro-action, ont été très étudiés pour la génération de structures transverses. De nombreux développements théoriques dans la configuration de la cavité ont prédit l'existence de structures localisées (solitons). Cependant aucune mise en évidence expérimentale de ces structures n'a été réalisée à ce jour. Dans la configuration de la boucle de rétro-action optique, les régimes fortement non linéaires présentent des structures rares et intenses, très localisées aussi bien spatialement que temporellement. C'est dans ce cadre que nous nous intéressons expérimentalement à la structuration localisée de la lumière dans ces deux systèmes. La première partie de cette thèse est consacrée à la mise en évidence expérimentale de solitons spatiaux dans une cavité Pérot-Fabry plan-plan Kerr à diffraction positive. Ensuite, nous étudions cette cavité quand elle est soumise à de la diffraction négative. Des parois de domaines propagatives sont alors observées. Celles-ci sont bloquées par le forçage spatial lié à l'inhomogénéité du profil de pompage optique gaussien qui donne lieu à une localisation de la lumière. Nous étudions succinctement le cas limite d'une cavité sans diffraction dans laquelle les parois de domaines survivent. Pour finir nous effectuons une étude du régime très fortement non linéaire dans le dispositif de rétro-action optique grâce à une approche statistique. Nous observons l'apparition de structures localisées scélérates associées à l'émission d'un supercontinuum spectral spatial.

Ce mémoire présente des techniques tout-optiques visant à préserver les paramètres physiques d’un signal télécom au cours de sa propagation dans une fibre optique de plusieurs kilomètres, tels que son état de polarisation, son profil d’intensité et son spectre. Il se compose en deux majeures parties.La première présente tout d’abord l’attraction de polarisation, ayant lieu au cours de l’interaction entre deux faisceaux contrapropagatifs, et qui permet d’imposer un état fixe de polarisation au signal à la sortie de la fibre indépendamment de son état initial. Des applications tout-optiques basées sur l’Omnipolariseur, un dispositif mis au point à Dijon et permettant le contrôle de ce phénomène non linéaire, sont ensuite développées. Elles fonctionnalisent l’état de polarisation d’un signal OOK-RZ à 10 Gbit/s pour mettre au point une mémoire optique à bascule, un routeur, un brouilleur chaotique, et une technique de copie/dissimulation de paquets de données dans une fibre spun de 5 km.La deuxième réalise la première démonstration expérimentale des parois de domaines de polarisation qui annulent les effets dégradant les profils d’intensité et spectral d’un signal codé au cours de sa propagation. Ce phénomène provient du couplage non-linéaire entre les deux modes de polarisation orthogonaux d’une lumière qui se propage dans un milieu Kerr en régime normal de dispersion, et provoque une modulation en opposition de phase des deux modes le long de la fibre. Il est possible de verrouiller deux trains d’impulsions optiques d’intensité complémentaire de sorte à ce que les impulsions ne subissent plus les effets de distorsion intervenant au sein de la fibre afin de conserver l’information à transmettre. Ainsi une propagation sans distorsion a pu être réalisée sur 50 km. / The second performs the first experimental demonstration of the polarization domain walls which cancel the effects which degrade the intensity and spectral profile of a telecom signal during propagation. This phenomenon comes from non-linear coupling between the two orthogonal polarization modes of light propagating in a Kerr medium in normal dispersion regime, and causes a modulation in phase opposition of the two modes along the fiber. It is possible to lock two optical pulse trains complementary intensity so that the pulses do not suffer the effects of distortion occurring in the fiber in order to maintain the information to be transmitted. And a distortion-free propagation was achieved on 50 km.

La première partie de cette thèse présente des résultats théoriques et expérimentaux sur l'instabilité de modulation et la génération de solitons en parois de domaines dans une fibre optique bimodale.<br /><br />La deuxième partie est consacrée à l'étude de<br />l'interaction entre deux ondes contra-propagatives au sein d'une fibre optique isotrope.

Le comportement des systèmes magnétiques submicroniques suscite un vif intérêt, motivé par le progrès continu des techniques de nano-fabrication et entretenu par une multitude d'applications potentielles (mémoires non-volatiles). La compréhension des effets induits par le confinement de la taille latérale des systèmes magnétiques combine le micromagnétisme expérimental et numérique. L'objectif de ce travail est de développer des outils numériques appropriés à l'étude du magnétisme des structures de dimensions réduites, en utilisant la modélisation micromagnétique. L'approximation des différences finies est utilisée pour l'évaluation des énergies et des champs internes qui décrivent l'état du système. L'algorithme de la minimisation de l'énergie libre repose sur l'intégration temporelle de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert. L'amélioration de l'approche numérique (la précision du calcul, la stabilité du schéma d'intégration) ainsi que sa validation à travers des problèmes test et des résultats expérimentaux représentent les premières étapes de nos travaux. Cette approche numérique flexible nous a permis d'étudier des systèmes bi- et tri-dimensionnels, périodiques et non-périodiques. Ainsi, les détails de la structure interne des parois de domaines dans des couches minces de Co à anisotropie magnétocristalline uniaxiale planaire ou perpendiculaire ont été obtenus et analysés en fonction de l'épaisseur de la couche et du champ externe appliqué. L'étude menée sur les plots cylindriques de Co nous a permis d'établir les limites de stabilité des différents états magnétiques en fonction de la taille latérale et des paramètres de matériau. Notamment l'état de type vortex, favorisé par la symétrie circulaire de l'objet, a été analysé pour un champ appliqué perpendiculairement au plan du plot. Le caractère tridimensionnel des parois de domaines dans des nanofils de Co épitaxiés à anisotropie magnétocristalline parallèle ou perpendiculaire à l'axe du fil a été mis en évidence.

L'étude du déplacement des parois de domaine magnétique au moyen d'un courant électrique a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs mémoire 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 des matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite (SOT), reste néanmoins très incomplète, tout comme celle de son effet sur la propagation des parois de domaines. L'objectif de ce travail de thèse a été d'étudier l'influence du SOT sur la dynamique des parois de domaine. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de parois sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx. Un champ magnétique planaire, statique, a été utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du SOT sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet " chiral " 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 de telles parois a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Les désaccords que nous avons alors pu observer nous ont amené à proposer une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope.

L'objectif de cette thèse a été d'étudier la dynamique de parois de domaines dans des couches minces magnétiques ayant anisotropie perpendiculaire, dans un empilement non-centrosymétrique. Dans ce type de système la compétition entre l'interaction d'échange de Heisenberg et un terme d'échange antisymétrique appelé interaction Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale, favorise des textures magnétiques non colinéaires avec une chiralité définie, comme les parois de Néel chirales et les skyrmions. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à la dynamique induite par un champ magnétique ou un courant électrique de parois Néel chirales dans une tricouches constituée d'une fine couche de cobalt déposée sur du platine, et recouverte par un oxyde.Nous avons démontré que la structure statique et la dynamique des parois est fortement impactée par la présence de la DMI. La DMI favorise une structure Néel avec une chiralité bien définie (plutôt que la structure de Bloch trouvé en général dans des systèmes symétriques). En comparant des parois dans Pt/Co/Pt (DMI=0) et Pt/Co/AlOx (DMI forte) nous avons montré que en la présence de DMI les parois de domaines peuvent être déplacées plus efficacement avec un champ magnétique. La stabilisation de la structure interne de la paroi par la DMI déplace le régime precessionnel à de plus hauts champs magnétiques et permet d'obtenir des vitesses importantes.En opposition à ce que prédisent les modèles 1D, nous montrons que en la présence de fort DMI la vitesse de paroi sature après le champ de Walker, et que la vitesse de saturation est proportionnelle au rapport entre la force de la DMI et l'aimantation à saturation (D/Ms). L'augmentation de la vitesse de saturation dans des systèmes avec faible Ms a été démontrée en comparant la dynamique de parois dans Pt/Co/GdOx et Pt/Co/Gd. Ceci implique aussi que en connaissant Ms, la mesure de la vitesse de saturation fournit une méthode originale pour quantifier l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale, comme nous montrons dans ce travail. Cette méthode a été utilisée pour mesurer la DMI dans des tricouches Pt/Co/AlOx avec oxydation variable de l'interface supérieure du Co. Nous montrons que en plus de la forte DMI de l'interface Pt/Co, l'interaction Co/oxyde contribue avec une DMI du même signe, la force de laquelle dépend du dégrée d'oxydation de l'interface. Nous observons aussi que cette DMI est proportionnelle à l'anisotropie magnétique perpendiculaire, ce qui suggère que les deux effets ont une origine commune. Pour finir, nous avons montré des résultats préliminaires de dynamique de parois induite par champ et courant dans des systèmes ferrimagnétiques GdCo. Si d'une part près de la compensation les parois de domaines dans des tricouches Pt/GdCo/Ta peuvent être déplacées seulement avec des champs très forts, d'autre part le courant est très efficace et les courants de dépiégeage très faibles. Nous avons attribué cet effet à la dépendance en 1/Ms du couple de spin-orbite qui agit sur l'aimantation. / The aim of this thesis has been to study domain wall dynamics in magnetic thin films with perpendicular magnetic anisotropy embedded in a non centrosymmetric stack. In this kind of system the competition between the symmetric Heisenberg exchange and an antisymmetric exchange term, called the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), favours non collinear magnetic textures with a fixed chirality, like chiral Néel domain walls and skyrmions. In this work we have been interested in the field and current-driven dynamics of chiral Néel walls in trilayer stacks, typically consisting of a thin Co film deposited on Pt and capped with an oxide.We have shown that the statics and dynamics of a domain wall (DW) is strongly affected by the DMI. The DMI favours Néel internal structure (rather than the Bloch structure usually found in symmetric systems) with a fixed chirality. By comparing DWs in Pt/Co/Pt (no DMI) and Pt/Co/AlOx (strong DMI), we have shown that in the presence of DMI, DWs can be moved more efficiently by a magnetic field. The stabilization of the internal DW structure by the DMI allows the precessional regime to be pushed to large magnetic fields and large velocities to be reached.Opposite to what is predicted by 1D models we show that in the presence of DMI, the DW velocity saturates after the Walker field, and that the saturation velocity is proportional to the ratio of the DMI strength and the saturation magnetization (D/Ms). The enhancement of the saturation velocity in systems with reduced Ms is shown by comparing DW dynamics in Pt/Co/GdOx and Pt/Co/Gd stacks. This also means that, knowing Ms, measuring the DW saturation velocity provides an original method to quantify the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, as we show in this work.This method has been used to measure the DMI interaction in Pt/Co/AlOx trilayers in which the top Co interface presents a varying degree of oxidation. We show that besides the strong DMI at the Pt/Co interface, the Co/oxide interface also provides a DMI contribution of the same sign, whose strength depends on the degree of oxidation of the Co/AlOx interface. We also observe that this DMI scales with the perpendicular magnetic anisotropy, which suggest a common origin for the two effects. Finally we have shown preliminary results of field- and current-driven dynamics of DWs in a ferrimagnetic system (GdCo). While close to the compensation composition domain walls in Pt/GdCo/Ta trilayers can be moved to high velocities only by very high magnetic fields, the current driven dynamics is very efficient and depinning currents low. This effect is attributed to the 1/ Ms dependence of the spin-orbit torque acting on the DW magnetization.

Les membranes lipidiques auto-assemblées présentent une riche phénoménologie de comportements dynamiques, et sont présentes dans de nombreux systèmes biologiques. Au cours de cette thèse nous avons étudié la dynamique de ces membranes dans des situations de fort confinement par des modèles théoriques simples. Nous nous sommes focalisés sur le cas d'un confinement entre deux murs, en présence d'un potentiel double-puits menant à deux états possibles d'adhésion (sur le mur du haut, ou sur celui du bas). A l'aide de modèles de lubrification, nous avons obtenu une équation différentielle nonlinéaire et nonlocale décrivant l'évolution de la morphologie de la membrane. Nous avons surtout étudié son comportement dans les systèmes bidimensionnels, où la membrane est un objet unidimensionnel. Dans ce cadre, nous avons montré que la rigidité de courbure de la membrane mène à une dynamique différente de la dynamique de mûrissement obtenue habituellement en présence d'une tension de surface. En effet, la membrane atteint rapidement une configuration gelée, qui dépend des conditions initiales. L'arrêt de la dynamique la conséquence d'une interaction oscillante entre les kinks –définis ici comme parois de domaines dans les systèmes unidimensionnels. L'organisation spatiale de la configuration finale peut être contrôlée par la perméabilité des murs : par exemple, si la membrane est initialement plane, et à mi-chemin entre les deux murs, des morphologies désordonnées sont obtenues pour des murs perméables, alors qu'un ordre à longue distance est obtenu dans le cas imperméable. Nous avons de plus montré que différents ingrédients physiques tels qu'une tension de membrane, l'asymétrie du potentiel d'adhésion, ou le bruit thermique sont susceptibles de restaurer le mûrissement, généralement au dessus d'un seul fini. Inspirés par la biolubrification, nous avons par ailleurs étudié l'influence d'un cisaillement imposé par le mouvement des murs. Les simulations montrent une dynamique riche de plusieurs régimes, qui influence la friction effective entre les murs. Pour les faibles taux de cisaillements, nous obtenons une dynamique complexe et chaotique qui engendre du mûrissement, et mène à un comportement thixotrope, où la force décroît avec le temps. Pour des taux de cisaillement modérés et fort, nous obtenons respectivement des solutions stationnaires périodiques ou du chaos spatiotemprel. Dans ces deux régimes, le système est rhéo-fluidifiant / Self-assembled lipid membranes exhibit a rich variety of dynamical behaviors, and are ubiquitous in biology. In this thesis, we report on the study of dynamics of membranes in strong confinement, using simple theoretical models. We focus on the case of confinement between two walls, in the presence of a double-well potential leading to two possible states of adhesion (on the upper or the lower wall). Using a lubrication model, we obtained a nonlinear and nonlocal partial differential equation describing the evolution of the membrane morphology. We have mainly studied the twodimensional case, where the membrane is a one-dimensional object. Within this frame, we have shown that the membrane bending rigidity leads to dynamics that are different from the coarsening behavior obtained usually in the presence of surface tension. Indeed, the membrane reaches a frozen state, which depends on the initial conditions. The freezing of the dynamics is the consequence of the oscillatory interaction between kinks –here defined as domain walls in one-dimensional systems. The spatial organization of the final state can be controlled by the wall permeability : as an example, starting from a plane membrane half-way between the two walls, disordered configurations are obtained for very permeable walls, while long range order is obtained with impermeable walls. In addition, we have shown that different physical ingredients such as membrane tension, potential asymmetry, or thermal noise, can restore coarsening, usually above a finite threshold. Inspired by biolubrication, we have also studied the influence of shear imposed by the motion of the two confining walls. Simulations show a rich behavior with several regimes, which influence the effective friction between the walls. For weak shear rates, we obtain complex and chaotic dynamics, which induce coarsening, leading to a thixotropic behavior, where the force decreases with time. For moderate or large shear rates, we respectively obtain frozen periodic stationary solutions, or spatio-temporal chaos. In these two regimes, the system exhibits shear-thinning

La paroi de domaine magnétique est un concept essentiel à la compréhension du renversement d'aimantation dans un film ou une nanostructure magnétique, et peut être mise en jeu dans les processus d'écriture et de transmission d'une information dans un nano-dispositif. Théoriquement, nous avons mis en évidence, dans une nanostructure magnétique sans défauts, des effets de confinement sur la propagation d'une paroi sous champ magnétique et/ou sous courant polarisé en spin. Ceci a été illustré par l'étude, par microscopie magnéto-optique, de la propagation de paroi dans des films ultraminces Pt/Co/Pt à anisotropie perpendiculaire. Dans ces films, nous avons réalisé des nano-pistes lithographiées et irradiées à très faible dose par des ions hélium. Ces dispositifs se sont révélés être des systèmes modèles, idéaux pour étudier la propagation de paroi sous champ, et nous ont paru prometteurs pour l'étude de la propagation induite par transfert de spin. Pourtant, pour toute la gamme des impulsions de courant injectées dans ces pistes, aucun des effets de propagation observés expérimentalement n'a pu être attribué au transfert de spin. Au vu de l'évaluation quantitative du courant et de sa polarisation dans la couche de cobalt, ceci est justifié par un rapport défavorable entre l'échauffement par effet Joule et le transfert de spin.<br /><br />Nous avons également construit un magnétomètre Kerr polaire à haute résolution, utilisant un faisceau laser hautement focalisé, dont la résolution, la stabilité et la sensibilité exceptionnelles sont bien adaptées à l'étude de nanostructures magnétiques ultraminces à anisotropie perpendiculaire, et ce jusqu'à des dimensions largement sub-microniques.<br /><br />Enfin, nous avons étudié le renversement de l'aimantation sous champ magnétique dans un empilement de type jonction tunnel magnétique à anisotropie planaire, destiné au développement industriel de mémoires magnétiques à accès aléatoires. L'effet d'un recuit à haute température sur les propriétés magnétiques de cet empilement a été testé. En outre, dans la couche magnétique douce de la jonction tunnel, soumise à un couplage magnétique dipolaire à travers la barrière tunnel, nous avons mis en évidence une asymétrie des processus de nucléation de domaines et de propagation de parois en fonction du sens de balayage du champ, que nous avons associée à de légères inhomogénéités du champ de couplage dipolaire.