Le développement de systèmes d'imagerie magnétique à l'échelle nanométrique a été au coeur de nombreuses avancées scientifiques, en nanomagnétisme notamment. Une partie des enjeux actuels se portent sur des matériaux ne présentant des propriétés magnétiques qu'à basse température. L'imagerie dans ces conditions impose donc une augmentation des contraintes sur les dispositifs préexistants, majorant ainsi les enjeux expérimentaux. Ces dernières années ont vu le développement de microscopes de champ magnétique à balayage basés sur la résonance du spin électronique du centre NV, un centre coloré du diamant. Ces dispositifs, combinant une grande sensibilité et une excellente résolution spatiale en champ magnétique, ont apporté de nombreux résultats pour la communauté du nanomagnétisme à température ambiante. Cette technique repose sur la mesure d'un déplacement Zeeman entre deux sous-niveaux du spin électronique d'un centre NV unique et peut être adaptée à température cryogénique, portant ainsi de nombreuses promesses dans l'imagerie résolue et sensible de champ magnétique. Cette thèse décrit la réalisation d'un tel microscope à température cryogénique.Dans un premier temps, nous présenterons le contexte dans lequel se place ce travail, notamment concernant l'étude des parois de domaines magnétiques, concept très étudié ces dernières années dans l'optique de réaliser des applications dans le domaine des mémoires magnétiques. Après avoir discuté de quelques techniques d'imagerie magnétique à température cryogénique, nous présenterons l'utilisation du centre NV comme capteur magnétique. Le chapitre 2 sera dévoué à la présentation du développement expérimental à température cryogénique ainsi que des techniques d'imagerie accessibles avec ce dispositif. Le magnétomètre à centre NV à température cryogénique sera ensuite utilisé pour l'étude de (Ga,Mn)(As,P), un semiconducteur ferromagnétique porteur d'espoirs en vue du développement d'architectures de mémoires performantes. Nous présenterons les premières imageries de parois de domaines ainsi que l'étude de l'homogénéité de l'aimantation à saturation dans ce matériau. La dernière partie du manuscrit sera allouée à l'étude des processus mis en jeu dans la relaxation du centre NV dans les nanodiamants, dans l'optique de l'utiliser comme capteur de champ fluctuants. / The development of magnetic imaging systems at the nanoscale has been of central importance for many scientific advances, in particular in nanomagnetism Part of actual challenges are displaced towards materials displaying magnetic properties only at low temperatures. Imaging in these conditions creates new constraints on pre-existing techniques, which increases experimental challenges. These last years have seen the development of scanning magnetic field microscope based on the electron spin resonance of the NV center, a colored center in diamond. These devices, combining great sensitivity and excellent spatial resolution, have brought great results in nanomagnetism at room temperature. This technique relies on the mesure of the Zeeman displacement between two sublevels of the electronic spin of a unique NV center, and it can be adapted at cryogenic temperatures, bringing thereby several hopes in sensitive and resolved magnetic imaging. These thesis describes the implementation of such a microscope, at cryogenic temperatures.In the first chapter, we will present the context of this work, especially concerning the study of magnetic domain walls, a concept studied these last years for magnetic memories applications. After discussing few magnetic imaging techniques at cryogenic temperatures, we will discuss how to use the NV center as a magnetic sensor. The second chapter will be devoted to the experimental development of this magnetic microscope as well as the different imaging techniques used in this work. Our NV center magnetometer will then be used to study (Ga,Mn)(As,P), a ferromagnetic semiconductor displaying very interesting properties towards high-performance memory architectures. We will show the first domain wall images along with a study of the homogeneity of the magnetization in this material. The last part of the manuscript will be dedicated to the study of the processes at stake in the relaxation of NV centers in nanodiamonds in the prospect of using it as a fluctuating magnetic fields sensor.

Ce Mémoire traite des aspects expérimentaux de la réalisation de résonateurs supraconducteurs pour le transport de l’information quantique. Les avancées technologiques des dix dernières années et le développement de l’électrodynamique quantique en circuit ont permis de démontrer que les bits quantiques (qubits) supraconducteurs couplés à des résonateurs supraconducteurs sont capables d'effectuer des opérations quantiques très rapidement. Il y a maintenant un intérêt pour l’intégration de qubits de spin aux résonateurs afin de combiner leurs avantages avec ceux des qubits supraconducteurs. Dans ce contexte, il est nécessaire de fabriquer des résonateurs avec un champ magnétique critique élevé. Des couches minces de niobium ont été déposées par pulvérisation cathodique DC. On présente la caractérisation de la température critique et du champ magnétique critique à l’aide de mesures de résistivité et de susceptibilité magnétique. Une corrélation entre la résistivité, la température critique et le facteur de qualité des résonateurs fabriqués a été observée. Une analyse par spectroscopie de photoélectrons X d’un des échantillons a confirmé une quantité élevée d'impuretés dans le niobium. Des résonateurs en niobium avec des facteurs de qualité de 200 à ~4400 ont été fabriqués sur silicium et GaAs. À partir de la dépendance en température de la résonance, l’impédance de surface est décrite par le modèle Mattis-Bardeen et le modèle deux fluides. Les pertes observées à basse température sont attribuées à la résistance de surface résiduelle du niobium causée par la présence d’impuretés. On caractérise également la variation du facteur de qualité des résonateurs en fonction de l’intensité du champ magnétique et la puissance d'excitation. Les pertes et l’hystérésis observées sont décrites par la dynamique des vortex de flux magnétique dans le niobium. On détermine un champ magnétique critique pour le fonctionnement des résonateurs se trouvant entre 0.2 T et 0.6 T. Ces résultats montrent que les résonateurs fabriqués sont adéquats pour l’intégration de qubits de spins.

Les centres azote-lacune (aussi appelés centres NV) dans le diamant possèdent des propriétés de cohérence de spin exceptionnelles à température pièce, de sorte qu’on peut les utiliser en tant que senseurs quantiques. En particulier, le champ magnétique affecte significativement la raie de résonance de spin, de sorte que des sensibilités au champ allant jusqu’au pT/pHz peuvent être réalisées. À ce niveau de détection, cette technologie quantique est compétitive avec celle des senseurs de champ conventionnels, en plus de posséder un volume de sonde nanométrique. Dans le cadre de cette thèse, les centres NV sont distingués des autres défauts radiatifs dans le diamant, par l’intermédiaire des techniques de photoluminescence et de cathodoluminescence. Par la suite, un circuit imprimé injectant des micro-ondes permet de réaliser, sous illumination laser, la résonance de spin détectée optiquement, technique à la base de toutes les mesures sur ce type de matériau. Le couplage hyperfin aux spins nucléaires est mis en évidence et la magnétospectroscopie confirme que les spins électroniques des centres NV sont manipulés. Les probabilités de transition pour les différents états triplets, en champ hors axe du centre NV, sont calculées afin de décrire l’évolution de la visibilité des raies de résonance en champ magnétique. Le contrôle cohérent d’un ensemble de centres est réalisé à champ nul et en champ anisotrope. Les oscillations de Rabi observées mettent en évidence le rôle du bain de spins nucléaires, par la variation de phase des chevrons de Rabi. Le comportement quadratique en puissance micro-ondes et en décalage attendu est obtenu, démontrant un bon contrôle sur ce système quantique à deux niveaux. De plus, par le biais d’une technique novatrice, le lien entre les fréquences Rabi des différentes orientations de centres azote-lacune et leur axe cristallin est établi. Cette technique réalise la magnétométrie vectorielle sans avoir à appliquer un champ externe selon tous les axes des centres NV. Combiné aux techniques de gravure plasma et d’électrolithographie de petites structures, tous les ingrédients sont réunis afin de réaliser un capteur de champ magnétique haute sensibilité. Le domaine des applications d’un tel senseur est très vaste, allant de la spintronique, à la médecine et la géomatique.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates.

Cette thèse porte sur l'étude de la dynamique de spin dans CeCoIn5 et plus précisément sur l'étude de la "résonance de spin" dans ce composé. CeCoIn5 est le composé à fermions lourds à base de cérium ayant la température de supraconductivité la plus élevé ( Tc = 2.3 K) et présente une supraconductivité non-conventionnelle avec un gap de type d_{x^2-y^2}. Dans l'état supraconducteur, le spectre des excitations magnétiques est radicalement modifié avec l'apparition d'un excitation particulièrement intense appelé "Résonance de spin". Ce type d'excitations a déjà été découvert dans les supraconducteurs haute-températures, dans d'autres composés à fermions lourds et également dans les nouveaux supraconducteurs au Fer. Dans cette thèse, nous étudions l'évolution de la résonance de spin en présence d'un champ magnétique et avec l'introduction d'impuretés magnétiques et non-magnétiques. D'après notre étude, les impuretés vont influer sur la résonance de spin via le gap supraconducteur, en effet la présence d'impuretés diminue le gap supraconducteur et l'énergie de la résonance de spin va diminuer de manière proportionnelle. L'influence du champ magnétique est délicate à considérer mais nos recherches porteraient vers un splitting Zeeman de la résonance de spin en accord avec les modèles développés pour les cuprates. / In this thesis, the spin dynamics of CeCoIn5 has been studied by inelastic neutron scattering. CeCoIn5 presents the highest critical temperature ( Tc = 2.3 K) among heavy fermion Ce-based compounds and shows an unconventionnal supraconductivity with a $d_{x^2-y^2}$-wave gap. The magnetic excitation spectra is radically changed in the supraconducting state with the apparition of an intense excitation named "Spin resonance". This kind of excitation has already been discovered in high-Tc superconductors and even in the new Iron-based superconductors. In this thesis, we focused on the evolution of the spin resonance with the application of a magnetic field and the introduction of magnetic and non-magnetic impurities. From our study, the main effect of impurities is to decrease the superconducting gap which leads to a proportionnal decrease of the resonance energy. The case of magnetic field is more difficult and our researchs suggest a Zeeman splitting of the spin resonance in agreements with the models developped for the cuprates.