Les propriétés électroniques de (Ga,Mn)N ont été étudiées par spectroscopie d'absorption des rayons X au seuil K du Mn. Des calculs ab-initio ont été utilisés pour interpréter les spectres d'absorption de (Ga,Mn)N. Deux pré-pics sont présents dans le seuil du Mn: le premier pré-pic est attribué aux transitions électronique vers les états 3d du Mn de spin up, tandis que le second pré-pic correspond aux transitions vers les états 3d du Mn de spin down. Cette interprétation nous permet de déterminer que l'état électronique du Mn dans (Ga,Mn)N est Mn³⁺: deux pré-pics sont présents dans les spectres d'absorption du Mn³⁺ et un seul pré-pic reste dans les spectres du Mn²⁺. Ce changement des spectres a été vérifié expérimentalement sur des échantillons de (Zn,Mn²⁺)Te et (Ga,Mn²⁺)As. De plus, cette interprétation permet d'étudier la distribution du Mn dans (Ga,Mn)N: la forme des spectres d'absorption suggère que la distribution du Mn est homogène dans nos échantillons de (Ga,Mn)N.

L'insertion de nombreuses impuretés magnétiques dans des matériaux semiconducteurs massifs permet d'obtenir un comportement ferromagnétique. D'autre part, les boîtes quantiques confinent les porteurs dans les trois dimensions, permettant un contrôle individuel de chacun. Le travail présenté ici concerne l'insertion d'une unique impureté magnétique (Manganèse) dans une seule boîte quantique de semiconducteur II-VI. Cet objet permet l'étude directe, par des moyens expérimentaux relativement simples, de l'interaction entre l'impureté magnétique et un porteur confiné dans la boîte quantique. De manière uniquement optique, le spin de l'impureté peut être contrôlé et détecté. Cela en fait un candidat possible pour réaliser un codage quantique de l'information.<br />La réalisation de ces échantillons, en épitaxie par jets moléculaires, est d'abord détaillée. La ségrégation du Mn au cours de la croissance est utilisée pour réduire la densité d'atomes Mn tout en la contrôlant. Des expériences de micro-spectroscopie optique permettent de valider cette méthode. Ensuite, une étude fine de l'interaction impureté-porteur est réalisée. Les spectres expérimentaux sont analysés à l'aide d'un modèle simple des fonctions d'onde des porteurs dans la boîte. Des valeurs quantitatives de cette interaction sont données en tenant compte de la position de l'impureté dans la boîte ainsi que de sa réduction, induite par le confinement des porteurs. <br />Finalement, les possibilités pour contrôler cette interaction sont présentées: la modification de l'interaction par l'ajout de porteurs dans la boîte quantique, puis une augmentation possible de cette interaction grâce à un meilleur confinement des trous.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et -q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et –q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM. / This thesis focuses on the study of spin waves in n-doped CdMnTe quantum wells using respectively time-resolved Kerr rotation (TRKR) and four-wave mixing (FWM) techniques. We studied three high mobility samples with different characteristics.The TRKR technique gives access only to zero wave vector excitations, in our case the spin- flip wave q = 0 . We studied the anticrossing that appears between the spin -flip wave and the manganese spin -flip excitation. We studied the gap variation energy between these modes as function on the power excitation and the magnetic field. In particular, we have extended the measurements of mixed modes at lower Mn concentration (up 0.07 %) and contrary to what were expected; we found that the strong coupling regime persists at this concentration.We are then interested in determining the two dimensional electron gas spin polarization ζ, which can be deduced from the energy coupling between the mixed modes. We found that the measured polarization exceeds the theoretical polarization calculated taking into account the increased susceptibility by many-body effects. We also measured the electron spin relaxation time and we have shown that it is influenced by thermal effects inherent to optical pump-probe experiments on this time.In the second part of this thesis, we studied by FWM the damping and the dispersion of the non-zero wave vector spin waves for one of our samples. We have demonstrated that we can actually generate spin waves in femtosecond excitation and deted them by FWM. We found that the dispersion is lower than that observed in the Raman experiments. This low dispersion may be due to the strong excitation density used in the FWM experiments (typically three to four orders of magnitude higher than the Raman ones) and / or the fact that two waves of wave vector q and - q, having different dispersions are simultaneously probed in FWM .

Cette thèse est principalement consacrée à l'étude des inhomogénéités de taille nanométrique dans les systèmes magnétiques désordonnés ou dilués. La présence d'inhomogénéités, souvent mise en évidence dans de nombreux matériaux, donne lieu à des propriétés physiques intéressantes et inattendues. La possibilité de ferromagnétisme à l'ambiante dans certains matéraux a généré un grand enthousiasme en vue d'application dans la spintronique. Cependant, d'un point de vue fondamental la physique de ces systèmes reste peu explorée et mal comprise. Dans ce manuscrit, on se propose de fournir une étude théorique complète et détaillée des effets des inhomogenéités de tailles nanométriques sur les propriétés magnétiques dans les systèmes dilués. Tout d'abord, on montre que l'approche RPA locale autocohérente est l'outil le plus adapté et fiable pour un traitement approprié du désordre et de la percolation. Nous avons implémenté cet outil et étudié dans un premier temps, les propriétés magnétiques dynamiques d'un modèle Heisenberg dilué (couplages premiers voisins) sur un reseau cubique simple. Nous avons reproduit précisémment la disparition de l'ordre à longue portée au seuil de percolation et comparé ce travail à des études précédentes. Dans le cadre d'un Hamiltonien minimal (modèle $V$-$J$) nous avons ensuite étudié en détails les propriétés magnétiques de (Ga,Mn)As (température critique, excitations magnétiques, stiffness,..). Nous avons obtenu de très bon accords avec les calculs textit{ab initio} et les résulats expérimentaux. Finalement, nous avons étudié les effets des inhomogénéités dans les sytèmes dilués. Nous avons montré, qu'inclure des inhomogenéités pourrait s'averer être une voie très efficace et prometteuse pour dépasser l'ambiante dans de nombreux matériaux. Nous avons pu obtenir une augmentation colossale de la température critique dans certains cas comparée à celle des systèmes dilués homogènes. Nous avons atteint une augmentation de 1600% dans certains cas. Nous avons également analysé les effets des inhomogénéités sur les courbes d'aimantations, elles sont inhabituelles et peu conventionelles dans ces systèmes. Les spectres d'excitations magnétiques sont très complexes, avec des structures très riches, et présentent de nombreux modes discrets à haute energie. De plus, nos calculs ont montré que la ''spin-stiffness" est fortement supprimé par l'introduction d'inhomogénéités. Il reste encore de nombreuses voies à explorer, ce travail devrait servir de base à de futures études théoriques et expérimentales des systèmes inhomogènes.

Cette thèse est principalement consacrée à l'étude des inhomogénéités de taille nanométrique dans les systèmes magnétiques désordonnés ou dilués. La présence d'inhomogénéités, souvent mise en évidence dans de nombreux matériaux, donne lieu à des propriétés physiques intéressantes et inattendues. La possibilité de ferromagnétisme à l'ambiante dans certains matéraux a généré un grand enthousiasme en vue d'application dans la spintronique. Cependant, d'un point de vue fondamental la physique de ces systèmes reste peu explorée et mal comprise. Dans ce manuscrit, on se propose de fournir une étude théorique complète et détaillée des effets des inhomogenéités de tailles nanométriques sur les propriétés magnétiques dans les systèmes dilués. Tout d'abord, on montre que l'approche RPA locale autocohérente est l'outil le plus adapté et fiable pour un traitement approprié du désordre et de la percolation. Nous avons implémenté cet outil et étudié dans un premier temps, les propriétés magnétiques dynamiques d'un modèle Heisenberg dilué (couplages premiers voisins) sur un reseau cubique simple. Nous avons reproduit précisémment la disparition de l'ordre à longue portée au seuil de percolation et comparé ce travail à des études précédentes. Dans le cadre d'un Hamiltonien minimal (modèle $V$-$J$) nous avons ensuite étudié en détails les propriétés magnétiques de (Ga,Mn)As (température critique, excitations magnétiques, stiffness,..). Nous avons obtenu de très bon accords avec les calculs textit{ab initio} et les résulats expérimentaux. Finalement, nous avons étudié les effets des inhomogénéités dans les sytèmes dilués. Nous avons montré, qu'inclure des inhomogenéités pourrait s'averer être une voie très efficace et prometteuse pour dépasser l'ambiante dans de nombreux matériaux. Nous avons pu obtenir une augmentation colossale de la température critique dans certains cas comparée à celle des systèmes dilués homogènes. Nous avons atteint une augmentation de 1600% dans certains cas. Nous avons également analysé les effets des inhomogénéités sur les courbes d'aimantations, elles sont inhabituelles et peu conventionelles dans ces systèmes. Les spectres d'excitations magnétiques sont très complexes, avec des structures très riches, et présentent de nombreux modes discrets à haute energie. De plus, nos calculs ont montré que la ``spin-stiffness" est fortement supprimé par l'introduction d'inhomogénéités. Il reste encore de nombreuses voies à explorer, ce travail devrait servir de base à de futures études théoriques et expérimentales des systèmes inhomogènes. / This thesis is mainly devoted to the study of nanoscale inhomogeneities in diluted and disordered magnetic systems. The presence of inhomogeneities was detected experimentally in several disordered systems which in turn gave rise to various interesting and unexpected properties. In particular, the possibility of room-temperature ferromagnetism generated a huge thrust in these inhomogeneous materials for potential spintronics applications. However, a proper theoretical understanding of the underlying physics was a longstanding debate. In this manuscript we provide a detailed theoretical account of the effects of these nanoscale inhomogeneities on the magnetic properties of diluted systems. First we show the importance of disorder effects in these systems, and the need to treat them in an appropriate manner. The self-consistent local RPA (SC-LRPA) theory, based on finite temperature Green's function, is found to be the most reliable and accurate tool for this. We have successfully implemented the SC-LRPA to study the dynamical magnetic properties of the 3D nearest-neighbor diluted Heisenberg model. The percolation threshold is found to be reproduced exactly in comparison with previous existing studies. Following this, we discuss the essential role of a minimal model approach to study diluted magnetic systems. The one-band $V$-$J$ model, has been used to calculate the Curie temperature and the spin excitation spectrum in (Ga,Mn)As. An excellent agreement is obtained with first principles based calculations as well as experiments. Finally we propose an innovative path to room-temperature ferromagnetism in these materials, by nanoscale cluster inclusion. We find a colossal increase in $T_C$ of up to 1600% compared to the homogeneous case in certain cases. Also the spontaneous magnetization is found to exhibit anomalous non-mean-field like behavior in the presence of inhomogeneities. In addition we observe a complex nature of the magnon excitation spectrum with prominent features appearing at high energies, which is drastically different from the homogeneous case. Our study interestingly reveals a strong suppression of the spin-stiffness in these inhomogeneous systems. The results indicate toward the strong complexities associated with the interplay/competition between several typical length scales. We believe this work would strongly motivate detailed experimental as well as theoretical studies in this direction in the near future.

Ce travail de thèse est surtout consacré à l'étude du ferromagnétisme dans les systèmes désordonnés, en particulier les semiconducteurs magnétiques dilués (DMS). Le formalisme utilisé, basé sur les fonctions de Green à température finie, est très général pour l'étude du magnétisme et du transport dans ces systèmes. Dans un premier temps, il est montré que l'approche champ moyen - RKKY (MF-RKKY) souvent utilisée n'est pas appropriée pour décrire les propriétés magnétiques des systèmes dilués. Un meilleur traitement du Hamiltonien de Heisenberg RKKY dans le cadre de la théorie RPA locale auto cohérente (SC-LRPA) a permis de montrer en particulier que l'approche MF-RKKY surestime largement les températures critiques ainsi que l'étendue de la zone de stabilité du ferromagnétisme. Dans un second temps on étudie le modèle non perturbatif « V-Jpd » par diagonalisation exacte pour chaque configuration de désordre et on calcule explicitement les échanges magnétiques. En dehors de la limite perturbative, ces échanges n'ont pas le caractère RKKY. Ensuite, le Hamiltonien de Heisenberg effectif est traité dans le cadre de la théorie SC-LRPA. Cette approche en 2 étapes montre en particulier (i) l'importance du désordre et des fluctuations thermiques et transverses et (ii) que le potentiel coulombien V joue un rôle crucial pour comprendre l'origine du ferromagnétisme dans les DMS. Ce modèle minimal tient compte de la percolation et des diffusions multiples des porteurs itinérants sur les impuretés et permet d'unifier la description des DMS. Enfin, une étude numérique des effets de taille finie et de l'importance de l'échantillonnage statistique a permis de montrer les insuffisances sévères du traitement Monté Carlo « complet » du modèle dilué « V-Jpd ». Ce modèle microscopique permet de combler le fossé entre les approches modèles trop simplistes et celles basées sur les calculs ab initio.