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).

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...

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.

Les jonctions tunnel magnétiques (JTM) épitaxiées à barrière MgO constituent probablement le système le plus prometteur pour des applications allant depuis les têtes de lecture des disques durs jusqu'aux mémoires magnétiques à accès aléatoire. De plus, de telles jonctions mettent en jeu une physique nouvelle et fascinante, celle de la physique du transport électronique au travers de barrières épitaxiées, ou du couplage magnétique entre électrodes au travers d'une fine barrière. Nous présentons des travaux conduits sur des jonctions à perpendiculaire (FePt/MgO/FePt). Très peu étudiés, les systèmes à aimantation perpendiculaire semblent présenter le potentiel le plus élevé aux très hautes densités dans les mémoires MRAM. Nous avons montré que des jonctions FePt/MgO/FePt peuvent être obtenues avec des couches de FePt chimiquement ordonnées dans la phase L10 de très forte anisotropie magnétocristalline. Ces jonctions présentent spontanément une couche dure et une couche douce, et un découplage magnétique en dépit de la forte aimantation volumique de l'alliage FePt. La thèse porte alors principalement sur deux études : - la propagation de parois dans des films minces de FePt, en fonction du champ appliqué et de l'épaisseur de la couche mince (entre 2 et 6 nm). Nous étendons ici les études auparavant réalisées dans la limite de films ultra-minces (Pt/Co/Pt)/ - les phénomènes de couplage magnétique entre électrodes à aimantation perpendiculaire dans la jonction complète. En combinant études macroscopiques (magnéto-optiques) et locales, nous proposons une description détaillée de l'origine du couplage magnétique, et du processus qui peut conduire à la démagnétisation progressive de la couche dure lors du cyclage de la couche douce.

L’objectif de cette est de développer une source harmonique permettant de couvrir la gamme d’énergie 50 -70 eV du spectre électromagnétique par la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un gaz rare. Cette source appelée "tabletop" est obtenue à partir d’un système laser femtoseconde basé sur la technique d’amplification à dérive de fréquence. Une telle source permet de réaliser des expériences de dynamique des charges et de l’aimantation aux seuils M des métaux de transition. L’intérêt de sonder la dynamique de l’aimantation dans le domaine des rayons X est la sélectivité chimique sur les éléments. Grâce à la sélectivité chimique, on peut sonder la dynamique des spins des espèces chimiques qui sont responsables du magnétisme. Par exemple, dans un système contenant plusieurs éléments, on peut accéder aux propriétés magnétiques de chacun de ses composants en ajustant l’énergie des photons au seuil d’absorption de l’élément choisi. / The goal of this thesis is to develop an harmonic source to cover the energy range of 50-70 eV of the electromagnetic spectrum by high harmonic generation in a rare gas. This source called "tabletop" is obtained from a femtosecond laser system based on the chirped pulse amplification technique. Such source allows probing the magnetization dynamics at the M-edges of transition metals. The interest to probe the magnetization dynamics with X-rays is the chemical selectivity on the elements. This, one can probe the spin dynamics of the chemical element which are responsible for magnetism. For example, in a system containing several elements, one can reach the magnetic properties of each one of its components by adjusting the photon energy to the absorption edge of the element.

Ce travail de doctorat porte sur la croissance par ablation laser pulsée de films ultrafins de Grenat de Fer et d’Yttrium dopés au Bismuth (BiYIG). Ces films d’épaisseur nanométriques sont caractérisés puis utilisés pour des applications magnon-spintroniques. Cette thèse englobe deux thématiques différentes de la physique : la science des matériaux et les applications magnon-spintroniques.La motivation de cette thèse repose sur le besoin, venant de la communauté magnon-spintronique, d’un nouveau matériau magnétique ultrafin à anisotropie ajustable. En effet, au court des dernières années, une avancée majeure dans le domaine a été l’obtention d’auto-oscillations magnétiques induites par un courant de charge dans un isolant magnétique. Ce résultat a été rendu possible grâce à l’utilisation d’un film ultrafin (20 nm) de Grenat de Fer et d’Yttrium (YIG) possédant de très faibles pertes magnétiques. Ces films ultrafins de YIG sont également intéressants pour la magnonique puisqu’il est aussi possible d’y propager et de manipuler des ondes de spin sur de grandes distances. Cependant, la direction facile d’aimantation dans ces films est fixée par l’anisotropie de forme et n’est pas un paramètre ajustable. Pour pousser plus loin les possibilités dans le domaine de la magnon-spintronique un matériau ultrafin, présentant des pertes magnétiques similaires au YIG, dans lequel il serait possible de stabiliser une anisotropie perpendiculaire serait désirable.La croissance par épitaxie en phase liquide de films de YIG substitués de plusieurs microns d’épaisseur a permis de mettre en évidence que l’anisotropie magnétique pouvait être modifiée par dopage. Notamment que la substitution des atomes d’Yttrium par les atomes de Bismuth sur les sites atomiques dodécaédriques permet d’obtenir une direction facile d’aimantation hors du plan, le BiYIG est également reconnu pour sa forte activité magnéto-optique. Cette thèse présente la croissance par ablation laser pulsée de films ultrafins (7 à 50 nm d’épaisseur) de BiYIG. Dans ces films l’anisotropie magnétique a deux origines : l’anisotropie de croissance et l’anisotropie de contrainte. Dans ces films grâce à la contrainte les deux types anisotropies magnétique (planaire ou perpendiculaire) peuvent être obtenues. La caractérisation dynamique des films montre que la substitution d’Yttrium par le Bismuth n’augmente pas les pertes magnétiques et que l’amortissement de Gilbert dans le BiYIG est comparable à celui du YIG. De plus l’augmentation de l’activité magnéto optique du BiYIG par rapport à celle du YIG rend ce nouveau matériau très intéressant pour des techniques expérimentales impliquant l’interaction lumière/ moment magnétique (BLS, Kerr microscope…).Pour observer des phénomènes spintronique nous avons déposé une couche de Pt. Des mesures de transport comme la magnetoresistance Hall de spin, l’effet Hall de spin inverse ou l’effet Hall anormal témoignent d’un transfert de courant de spin a l’interface BiYIG-Pt. Grâce à l’anisotropie perpendiculaire, il est également possible d’observer de nouveaux phénomènes comme la génération d’onde de spin cohérent à partir d’auto-oscillations. Ce nouvel isolant magnétique combinant une faible épaisseur, un faible amortissement magnétique et une anisotropie magnétique modifiable est donc un matériau prometteur pour des applications magnon-spintroniques et ouvre de nouvelles possibilités pour le domaine. / This PhD work focuses on the Pulsed Laser Deposition (PLD) growth of Bismuth doped Iron Garnet nanometer thick films. Those films are charcterised and used for magnon-spintronics applications. This PhD has two main focuses : material science and magnon-spintronics applications.The aim of this PhD is to fill up the need in the magnon-spintronics community of an ultrathin magnetic material combining low magnetic losses and tunable magnetic anisotropy. Indeed the recent breakthrough in the domain was the ability of generating magnetic auto-oscillations from a charge current in a magnetic insulator. This result has been obtained by using an 20 nm thick film of Yttrium Iron Garnet (YIG) with low magnetic losses (α=2⋅〖10〗^(-4) ). Those ultrafin films of YIG can also be used for spin waves propagation over micrometeter distances. However the easy magnetic axis in those films is set to in plane due to the shape anisotropy and it is not a tunable parameter. To go further in terms of magnon-spintronics applications a perpendicularly easy magnetized low losses ultra-thin magnetic material would be desirable. Liquid Phase Epitaxy growth of micrometer thick doped YIG during the 70’s evidenced that the magnetic anisotropy could be modified by doping or substitution. Especially the substitution of Yttrium atoms by Bismuth ones on the dodecaedric atomic sites allows to stabilise out of plane magnetic anisotropy. Morevover the BiYIG is also known to posses high magneto optical activity.This PhD presents the growth by Pulsed Laser Deposition of ultrathin BiYIG films (7 to 50 nm thick). In those films the uniaxial magnetic anisotropy has two main origins : the magneto elastic and the growth induced anisotropy. Using the strain in those films it is possible to obtain both out of plane and in plane magnetic anisotropy. The dynamical characterisation shows that magnetic losses in the perpendicular easy magnetized films are comparable to the one of YIG ultrathin films. The high magneto optical activity in those films makes the BiYIG ultrathin films suitable for ligth based detection technics involving ligth/magnetism interaction. By sputtering a Pt sublayer on the top of BiYIG ultra thin films we could observ different spintronic phenomena evidencing the transfer of spin current from the metal to the insulator. Low losses and nanometer thickness in perpendicularly easy magnetized BiYIG films allow to observ current induced magnetic auto oscillation in the same fashion as what was previously done with ultrathin YIG. The perpendicular magnetic anisotropy allows however to couple those auto oscillation to spin waves, which was not possible for in plane magnetized YIG fims. This new phenomena is related to the unique properties of the ultrathin BiYIG.BiYIG ultrathin films are thus opening new perspectives in the magnon spintronic commnutiy due to their low thickness and tunable magnetic anisotropy.

Ce travail étudie le rôle de la densité de trous à l'équilibre sur la dynamique des charges et de la norme de l'aimantation de (Ga,Mn)As pour des densités de manganèse et d'impuretés fixées indépendamment. Des expériences " pompe-sonde " mettent en relation les dynamiques de réflectivité et d'angle de rotation Kerr. Deux relaxations sont mises en évidence. La première traduit un échauffement variable du gaz de trous entre 1ps et 100ps. La seconde traduit une diffusion-recombinaison des charges entre 100ps et 1500ps et évolue en fonction du rapport entre extension spatiale d'états d'impuretés, piégeant les électrons photo générés, et vitesse de Fermi. Pour compléter l'approche, une étude numérique de l'état fondamental des échantillons par la théorie de la fonctionnelle de la densité relie aimantation, température et densité de trous. Elle interprète la dynamique de la norme de l'aimantation à partir d'un diagramme de phase statique correspondant aux données publiées pour (Ga,Mn)As, qui est fonction de la température et de la densité de trous. Cette dynamique se ramène à celle de la réflectivité. Ceci permet de préciser les contributions de la norme et de l'orientation de l'aimantation dans le signal dynamique de rotation Kerr.