Dans une première partie, nous avons élaboré des couches épitaxiées de cobalt d'épaisseur variant de 10 à 500 nm et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons optimisé leur croissance pour obtenir du cobalt dans sa phase cristalline hexagonale (0001) car elle présente la plus forte anisotropie magnétocristalline perpendiculaire. Puis, nous avons montré que l'aimantation de ces couches passe d'une configuration en domaines d'aimantation planaire à perpendiculaire lorsque l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Pour des épaisseurs supérieures à 50 nm, la structure en domaines est alors composée de bulles, de bandes ou d'un labyrinthe selon l'histoire magnétique. La topologie des domaines est indépendante de leur épaisseur tandis que leur largeur varie entre 50 et 200 nm comme la racine carrée de l'épaisseur. Puis, nous avons montré que ces couches de cobalt étaient de très bons candidats pour l'étude de la magnétorésistance et résonance de paroi. Dans une seconde partie, nous avons élaboré des réseaux de 5x5 mm2 de plots de 0.5 µm de côté à partir de ces couches et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons montré que la réorientation de l'aimantation en fonction de l'épaisseur est conservée pour les mêmes épaisseurs et que la nanostructuration avait un effet sur la structure en domaines. Pour les plus fortes épaisseurs, la taille des domaines est de l'ordre de grandeur de celle des plots entraînant la contrainte de la composante perpendiculaire d'aimantation. Pour les plots de 25 nm d'épaisseur, la contrainte géométrique de la composante planaire d'aimantation permet de stabiliser une structure vortex en anneaux concentriques. La courbe d'aimantation mesurée sur cet échantillon présente un saut d'aimantation attribué à la disparition de domaines de la structure vortex. Nous avons pu mettre en évidence la réorientation de l'aimantation dans chaque domaine en fonction de la température transformant le vortex en domaines à aimantation perpendiculaire.

Cette thèse aborde des questions relatives à la physique d'aimants quantiques unidimensionnels et bidimensionnels sous champ magnétique. En utilisant des méthodes numériques, nous considérons des systèmes de dimères couplés, décrits avec des modèles d'électrons fortement corrélés que sont l'échelle de spin, la chaîne de dimères orthogonaux en une dimension ainsi que la bicouche de Heisenberg et le réseau de Shastry-Sutherland en deux dimensions. L'objectif étant de dériver des hamiltoniens effectifs, nous nous servons de la méthode " Contractor Renormalization (CORE) ", une technique non perturbative de renormalisation dans l'espace réel qui est capable de reproduire les propriétés de basse énergie du système tout en réduisant sa complexité. L'examen du modèle effectif, soit par des moyens analytiques soit numériquement en résolvant des systèmes effectifs avec la diagonalisation exacte, nous permet de conclure sur la physique du système, en particulier l'existence de plateaux d'aimantation. Nos résultats sont comparés avec l'étude numérique exacte du modèle microscopique d'une part et avec d'autres approches théoriques d'autre part. Grâce au fait que nous étudions des modèles caractérisant des composés réels, nous discutons également nos résultats en rapport avec des données expérimentales. Par exemple, nous proposons la stabilité de nouveaux plateaux d'aimantation sur le réseau de Shastry-Sutherland, ce qui motive son étude expérimentale.

Nous présentons une étude par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) de l'azurite, Cu3(CO3)2(OH)2, un système de spins quantiques. Ce composé peut être modélisé comme une chaine quasi-unidimensionnelle, frustrée, ‘de type diamant', de spins électroniques S=1/2 portés par les ions de cuivre Cu2+. Il présente dans sa courbe de l'aimantation en fonction du champ magnétique, entre 11 et 30 T et à très basse température, un plateau à 1/3 de l'aimantation à saturation. Nous avons effectué des mesures RMN du cuivre dans l'azurite à T=1.5 K afin de déterminer sa structure magnétique microscopique. Les résultats obtenus dans le plateau démontrent que le ‘dimère' des deux spins qui sont plus fortement couplés est approximativement dans l'état singulet, tandis que le troisième spin (le ‘monomère') est presque complètement polarisé. Cela confirme que la configuration électronique du plateau à 1/3 est un nouvel état quantique qui n'a pas d'équivalent classique [F. Aimo et al., Phys. Rev. Lett. 102 127205, (2009)]. Par RMN du proton à très haut champ magnétique, entre 31 et 34 T à T=0.6 K, nous avons aussi étudié le passage depuis le plateau à 1/3 vers la polarisation complète du système, afin de confirmer ou infirmer l'existence éventuelle d'un plateau à 2/3. Ce plateau est attendu dans le cas exceptionnel où les corrélations longitudinales de spins sont dominantes et stabilisent un ordre incommensurable longitudinal. L'analyse détaillée du dédoublement très symétrique des spectres RMN nous amène à conclure que c'est un ordre antiferromagnétique transverse et non longitudinal qui est établi, ce qui est incompatible avec l'existence du plateau à 2/3. / We present a Nuclear Magnetic Resonance (NMR) study of azurite, Cu3(CO3)2(OH)2, a quantum spin system. This compound has been recognised as a model system for a quasi-1D, frustrated, ‘diamond' chain of S=1/2 spins beared by Cu2+ ions. In the magnetisation curve as a function of magnetic field it presents, between 11 and 30 T and at very low temperatures, a plateau at 1/3 of the saturation magnetisation. We performed Cu NMR measurements in azurite at T=1.5 K in order to determine its microscopic magnetic structure. The obtained results show that the ‘dimer' of two more strongly coupled spins is approximately in a singlet state while the third spin (the ‘monomer') is almost fully polarised. This confirms that the electronic configuration of the 1/3 plateau is a new quantum state without classical analogue [F. Aimo et al., Phys. Rev. Lett. 102, 127205, (2009)]. By very high magnetic field proton NMR, between 31 and 34 T and at T=0.6 K, we have also studied the transition region between the 1/3 plateau and the full polarisation of the system in order to test for the possible existence of a 2/3 plateau. This plateau is expected in rather exceptional case when longitudinal spin correlations are dominant and stabilise an incommensurable longitudinal order. However, our analysis showed that the symmetric splitting of NMR spectra corresponds to an antiferromagnetic transverse and not longitudinal order, which is incompatible with the existence of a 2/3 plateau.

Dans cette thèse nous avons développé trois techniques de mesures dynamiques du renversement de l'aimantation à l'échelle de la nanoseconde en utilisant des micro bobines comme source de champ pulsé. Le comportement dynamique de plusieurs systèmes magnétiques sous la forme de couches minces a été étudié. Avec la technique de Dichroïsme Circulaire Magnétique de Rayons X (XMCD) résolu en temps développée à l'ESRF on obtient la sélectivité en espèce chimique outre à une résolution temporelle de 100 ps. Cela nous a permis d'effectuer des études du renversement de l'aimantation et du couplage dynamique dans des structures du type vanne de spins et jonctions tunnel. Dans certaines conditions de champ pulsé le temps de renversement de l'aimantation de la couche libre (FeNi) est de l'ordre de la nanoseconde. Dans ces structures, suivant l'épaisseur de la couche non magnétique, le couplage dynamique entre les couches libre et dure peut être très différent de celui statique. La technique de mesure dynamique Kerr/Faraday s'est montrée assez efficace pour l'étude dynamique des couches minces à forte anisotropie perpendiculaire grâce aux possibilités de champs importants (jusqu'à 10 T) associées à une haute sensibilité (~2 x 10(+8) µB). Avec la technique d'imagerie Kerr/Faraday résolue en temps on a pu suivre le renversement d'un grenat magnétique suite à une impulsion de champ. Les processus du renversement sont facilement identifiés par la visualisation dynamique des domaines magnétiques. Avec les micro bobines développées en collaboration avec le LETI, nous avons pu montrer la possibilité d'obtenir des champs magnétiques très forts (jusque 50 T) à un très bas coût comparé aux installations conventionnelles. Pour la suite de ce travail nous envisageons le développement d'une technique d'imagerie dynamique avec haute résolution spatiale (dizaine de nm) et sélectivité chimique basée sur un microscope PEEM (Microscope à photoémission d'électrons).

Dans ce travail, on traite de problèmes relatifs à l'investigation et à l'interprétation des propriétés magnétiques de multicouches en couches minces à partir de la Magnéto-Optique (MO), soit par Effect Kerr Magnéto-Optique (MOKE), soit par Magnéto-Optique sur la Génération de Seconde Harmonique (MOSHG). Dans ce mémoire, on doit distinguer plusieurs parties: On propose une nouvelle technique, permettant de séparer les contributions MOKE provenant des interfaces ou des couches ferromagnétiques (FM). Cette méthode a permis d'étudier le magnétisme des interfaces dans la structure Au/Co/Au(111). Par MOKE on peut mesurer sélectivement les contributions MO provenant d'une seule couche FM dans la structure multicouche. A cet effet, la fonction de sensibilité en profondeur a été introduite. On a unifié des solutions proposées précédemment pour séparer le MOKE d'une seule des couches FM dans une structure bicouche FM. Deux nouvelles techniques ont été proposées (la méthode des "vecteurs Kerr parallèles" et par "projection numérique en cascade"), pour séparer les signaux FM issus des différentes couches FM individuelles. Une procédure simple a été proposée pour déterminer la profondeur de la couche FM associée à une composante Kerr donnée. Nous avons découvert un nouvel effet Kerr MO, présent pour des couches FM déposées sur une surface vicinale; on l'a appelé "Vicinal-Induced-Surface-MOKE" (VISMOKE). Le VISMOKE est associé à l'aimantation planaire et il existe même pour un angle d'incidence nul. Le VISMOKE a été mis en évidence sur une couche de Co déposée sur une surface vicinale Au(322). Un formalisme original permettant de calculer les effets MOSHG a été proposé. Jusqu'à présent, aucune théorie n'existait pour préciser quelle interface procurait la plus forte contribution MOSHG dans une structure multicouche. Le formalisme est basé sur l'emission de lumière par un ensemble de dipôles électriques ponctuels aux interfaces et permet d'introduire une distribution latérale et en profondeur des dipôles dans une structure non-isotrope. Nous avons montré, par exemple, que le contraste magnétique MOSHG dans la configuration pp est toujours plus sensible aux interfaces air/métal ou diélectrique/métal qu'aux interfaces métal/métal.

Divisé en deux parties, cette thèse décrit la dynamique d'aimantation de nanoparticules magnétiques. Dans la première partie, nous avons décrit une étude expérimentale détaillée de la dynamique d'aimantation dans des nanoparticules de CoPt sous forme de cœur/coquille. Pour cela, nous avons effectué des mesures d'effet Kerr magnéto-optique résolues en temps utilisant une pompe de 150 fs à 400 nm et une sonde de 150 fs à 800 nm. Nous avons étudié les différents processus qui ont lieu sur des échelles de temps bref: comme la démagnétisation ultrarapide et la précession du vecteur d'aimantation. Les résultats obtenus indiquent une possibilité d'induire un ordre supra-cristallin des nanoparticules par un recuit doux effectué par le faisceau laser absorbé par les nanoparticules. Nous avons montré qu'il y a une influence importante du recuit thermique sur les propriétés magnétiques des nanoparticules. Par exemple, ce recuit induit une transition de phase magnétique de super paramagnétique à ferromagnétique au dessus de la température ambiante. Ce ferromagnétisme se manifeste comme une augmentation de l'anisotropie magnétique des nanoparticules et par une précession du vecteur d'aimantation. La deuxième partie est consacrée à la simulation numérique des processus de renversement d'aimantation dans des nanoparticules isolées et en interaction. Dans les nanoparticules isolées, les temps de relaxation suivent la loi d'Arrhenius donnée par le modèle de Néel-Brown. Pour prendre en compte l'interaction magnétique dipolaire, nous avons introduit un modèle simple et efficace basé sur l'approximation de champ moyen. D'une manière générale, nous avons montré que l'interaction dipolaire accélère le processus de renversement d'aimantation.

Mes activités de recherche sont principalement axées sur le magnétisme de systèmes de basse dimensionnalité. J'ai travaillé particulièrement à préciser des interdépendances entre ordre structural, géométrie et magnétisme dans des nanosystèmes, souvent pour l'électronique de spin. Ce domaine de recherches, poussé par les applications potentielles en matière de mémoires et capteurs, est extrêmement actif et concurrentiel. Je me suis focalisée sur les relations entre les leviers d'action que sont les déformations épitaxiales, les champs magnétique ou électrique mais aussi un courant polarisé et l'aimantation, que celle-ci soit considérée du point de vue statique (anisotropie, structure en domaines) ou dynamique (renversement de l'aimantation...). Mon activité est essentiellement expérimentale et je dispose de compétences larges, allant de techniques usuelles dans nos laboratoires à d'autres plus rares (incluant l'utilisation des grands instruments comme le rayonnement synchrotron ou les réacteurs de neutrons) qui ont permis de lever certains verrous scientifiques. Si mon activité est expérimentale, ma motivation reste liée à un souci de compréhension et d'analyse quantitative des résultats obtenus ; de fait, je m'attache à développer les calculs ad-hoc lorsque l'interprétation des résultats n'est pas possible à la lumière de modèles existants. Depuis la fin de mes études universitaires en 1996, j'ai eu l'opportunité d'étudier, en recherche, des systèmes variés. Cette mobilité thématique reflète la mobilité géographique associée à mon parcours (thèse, postdoctorat et poste de chargée de recherche dans 3 laboratoires distincts) mais traduit aussi des choix de collaborations, contractuelles au besoin, ou développements que j'ai initiés au cours des dernières années en particulier. Ainsi, mon activité personnelle a été élargie vers des sujets prometteurs (matériaux multiferroïques, composés terres rares - métaux de transition, pour la dynamique d'aimantation et le transfert de spin), que je développe. Ce manuscrit tente de reproduire ce parcours...

Nous présentons une étude par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) de l'azurite, Cu3(CO3)2(OH)2, un système de spins quantiques. Ce composé peut être modélisé comme une chaine quasi-unidimensionnelle, frustrée, 'de type diamant', de spins électroniques S=1/2 portés par les ions de cuivre Cu2+. Il présente dans sa courbe de l'aimantation en fonction du champ magnétique, entre 11 et 30 T et à très basse température, un plateau à 1/3 de l'aimantation à saturation. Nous avons effectué des mesures RMN du cuivre dans l'azurite à T=1.5 K afin de déterminer sa structure magnétique microscopique. Les résultats obtenus dans le plateau démontrent que le 'dimère' des deux spins qui sont plus fortement couplés est approximativement dans l'état singulet, tandis que le troisième spin (le 'monomère') est presque complètement polarisé. Cela confirme que la configuration électronique du plateau à 1/3 est un nouvel état quantique qui n'a pas d'équivalent classique [F. Aimo et al., Phys. Rev. Lett. 102 127205, (2009)]. Par RMN du proton à très haut champ magnétique, entre 31 et 34 T à T=0.6 K, nous avons aussi étudié le passage depuis le plateau à 1/3 vers la polarisation complète du système, afin de confirmer ou infirmer l'existence éventuelle d'un plateau à 2/3. Ce plateau est attendu dans le cas exceptionnel où les corrélations longitudinales de spins sont dominantes et stabilisent un ordre incommensurable longitudinal. L'analyse détaillée du dédoublement très symétrique des spectres RMN nous amène à conclure que c'est un ordre antiferromagnétique transverse et non longitudinal qui est établi, ce qui est incompatible avec l'existence du plateau à 2/3.

L’auto-oscillateur à transfert de spin est un nano système dont la preuve de concept fut donnée au début des années 2000. Il possède un fort potentiel applicatif dans le domaine des sources microonde à fréquence variable. Ses avantages sont : une fréquence émise dans la gamme RF (f ≈ 200 MHz – 20 GHz), une haute accordabilité grâce à la non linéarité et la possibilité de s’intégrer avec les procédés de l’électronique traditionnelle. Néanmoins à cause de sa taille, l’oscillateur est fortement perturbé par l’agitation thermique et il faut chercher différentes stratégies pour augmenter sa cohérence spectrale. Une solution prometteuse est la synchronisation mutuelle d’oscillateur. Afin de définir les meilleurs schémas de synchronisation, il est important d’étudier et de caractériser la synchronisation à une source externe.Ce travail, d’ordre théorique, traite la synchronisation d’un oscillateur spintronique à un signal microonde. L’équation de mouvement de l’aimantation (équation de Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski) est transformée en une équation d’amplitude complexe, qui permet de traiter les différents mécanismes de synchronisation de manière unifiée. En particulier, nous introduisons les forçages canoniques de l’oscillateur, transformés des couples {m x ui, m x m x ui}i=x,y,z et discutons leurs propriétés de synchronisation en fonction des paramètres non-linéaires. Dans le cas où l’oscillateur est fortement non isochrone (|| >> 1), il est possible de simplifier le problème pour traiter la combinaison de forçages canoniques, le régime transitoire, le régime de synchronisation sous température et sous fort signal externe. Les études analytiques sont confrontées aux études numériques et expérimentales pour un oscillateur à base d’une jonction tunnel. / The spin-transfer torque oscillator is a nano-sized system which could be part of the next generation of microwave current controlled oscillator. It combines several advantages as a frequency generation in the microwave range (f ≈ 200 MHz – 20 GHz), high tunability thanks to non-linearity and being fully compatible with CMOS technology. However, the oscillator is strongly affected by thermal fluctuations as every nano-sized system, which strongly degrades its spectral coherency. To solve this issue, the most promising strategy is to mutually synchronize an array of oscillators. In order to find the best synchronization schemes, one has to better understand the synchronization of the oscillator to an external source.The present work is essentially theoretical and consists to study the synchronization of a spintronic oscillator to a microwave external signal. The dynamic equation of the magnetization (Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation) is transformed in a simplified complex amplitude equation, which allows to address the different synchronizations mechanisms in a unified way. In particular, we introduce the canonical forcing function of the oscillator by transforming the torques {m x ui, m x m x ui} i=x,y,z and then discuss their synchronization properties. If the oscillator is strongly non-isochronous (|| >> 1), it becomes possible to address the combination of forcing functions, study of the transient regime, study of synchronization under thermal noise or under strong amplitude external signal. Analytical studies are compared with numerical simulations and experiments on magnetic tunnel barrier oscillators.

On utilise en IRM clinique T2, T1 et la densité de protons comme biomarqueurs de diagnostic et de suivi. Cependant, seuls les tissus à T2 long sont visibles par IRM classique. La séquence UTE (Ultra-short TE) a été récemment développée pour des études quantitatives de l’os cortical. Nous avons dans une première étape confronté des mesures de porosité de l’os cortical par IRM-UTE et par microtomographie par rayonnement synchrotron, car la porosité est un paramètre déterminant de la qualité osseuse. L’étude a été menée sur 38 échantillons de diaphyses fémorales humaines en collaboration avec une équipe du B2OA (UMR7052). La porosité par IRM-UTE à 4.7 T (TE = 51 µs) est entre 18 et 43% (moyenne 30%). La porosité par microtomographie (résolution spatiale : 6.5 µm) est entre 3 et 27% (moyenne 14%). Aucune corrélation n’a pu être observée entre les deux mesures. Une importante dispersion a été observée sur les valeurs de T1 entre les échantillons, que nous proposons d’attribuer à des effets de transfert d’aimantation (MT) entre les protons de l’eau liée au collagène et les protons des terminaisons méthylène du collagène. Pour confirmer cette interprétation, nous avons dans une seconde étape confronté plusieurs méthodes d’évaluation de la relaxation longitudinale dans des échantillons d’os bovin. Les mesures réalisées par différentes séquences (inversion-récupération, saturation hors-résonance, saturation par répétition de binomiales et angle de bascule variable) confirment des effets de MT importants. Les méthodes les plus robustes pour évaluer les paramètres sont la saturation hors-résonance et par répétition de binomiales, ce qui suggère leur utilisation pour de futures applications in vivo. / Longitudinal and transverse relaxations are quantitative tools used in MRI for diagnosis and follow up. However only tissues with long T2 can be detected with MRI. Quantitative evaluation of cortical bone porosity is now feasible with UTE.In this work, porosity measurements from UTE in human cortical bone samples were compared with those from micro-computed tomography (µCT). 38 human cortical bone samples (upper diaphysis) were examined in collaboration with a team from B2OA (UMR7052). Porosity from UTE (TE = 51 µs) was between 18% and 43% (mean 30%) and from µCT (spatial resolution = 6.5 µm) between 3% and 27% (mean 14%). No correlation could be established between the two measurements. T1 values from few samples were dispersed; a possible explanation could be the magnetization transfer (MT) between collagen-bound water protons and collagen methylene protons.For a quantitative interpretation of this phenomenon, 11 bovine cortical bone samples were examined. Several sequences (inversion-recovery, off-resonance saturation, repeated binomial excitations, variable flip angle) were implemented at 4.7 T to assess MT parameters. The aim was to compare which method may provide accurate parameter estimation. Off-resonance saturation and repeated binomial excitation seem to be more suitable for in vivo MT quantification.