Ce travail de cette thèse présente les études sur l'influence du nouveau dégrée de liberté quantique, causé par le couplage tunnel entre les couches, sur les propriétés de transport des multi-puits quantiques dans un champ magnétique, à basse température, et sous irradiation micro-ondes. De nouvelles oscillations de résistance sont observées dans les systèmes d’électrons bi- et multicouches. Elles résultent d'une interférence entre les oscillations entre les sous-bandes et les oscillations induites par les micro-ondes. Des états à résistance nulle apparaissent lorsque les systèmes bicouches de haute qualité sous irradiation micro-ondes même en présence d’une diffusion additionnelle. Le mécanisme inélastique de la photorésistance est la contribution dominante à basses températures et sous un champ électronique modéré. Ce modèle confirme l'intégrité des estimations théoriques pour le temps de relaxation inélastique et mène à une explication satisfaisante de la photorésistance dans les systèmes d’électrons bi-et multicouches. Dans un champ magnétique intense, la suppression de l’effet tunnel entre les couches provoque des nouveaux états corrélés à cause d’une interaction électron-électron entre les différentes couches. Dans cette thèse, les systèmes électroniques tricouches, formés par de triples puits quantiques révèlent de nouveaux états de l’effet Hall Quantique fractionnaire si l’effet tunnel est supprimé par une composante parallèle du champ magnétique aux très basses températures (mK). / This work is devoted to the investigation of the influence of the additional quantum degree of freedom caused by tunnel coupling on transport properties of multilayer electron systems in magnetic fields, at low temperatures and under microwave excitation. Microwave-induced resistance oscillations in bi- and multilayer electron systems are the consequence of an interference of magneto-intersubband and microwave-induced resistance oscillations which leads to peculiar oscillations in magnetoresistance. High-quality bilayer systems exposed to microwave irradiation exhibit zero-resistance states even in the presence of intersubband scattering. The inelastic mechanism of microwave photoresistance is found to be the dominant contribution at low temperatures and moderate microwave electric field. This model confirms the reliability of theoretical estimates for the inelastic relaxation time and leads to a satisfactory explanation of photoresistance in bi- and multilayer electron systems. In high magnetic fields, the suppression of tunnelling between layers causes new correlated states owing to electron-electron interaction in neighboured layers. In this thesis, trilayer electron systems formed by triple quantum wells reveal new fractional quantum Hall states if tunnelling is suppressed by a parallel component of the magnetic field at mK temperatures.

Les travaux effectués lors de cette thèse portent sur l'optimisation de la configuration magnétique des propulseurs à effet Hall. Ceci regroupe deux objectifs: d'une part la réalisation d'un propulseur à effet Hall dont la topologie magnétique est entièrement paramétrable, ce qui constituera un outil précieux pour l'étude de l'impact du champ magnétique sur le fonctionnement du propulseur et d'autre part, l'étude de moyen de conception rationalisée de circuits magnétiques pour ces mêmes propulseurs. Le premier sujet a conduit à la réalisation du PPS-Flex, un propulseur proposant une structure de circuit magnétique innovante offrant un grand nombre de degrés de liberté en termes de réglage du champ magnétique produit. La deuxième thématique a quant à elle été abordée en s'appuyant sur des méthodes d'optimisation (paramétrique et topologique) permettant d'aboutir à un circuit magnétique optimal pour un ou plusieurs critères de conception (fidélité du champ magnétique généré, minimisation de la masse, du volume total, etc.) / The works made during this thesis concern the optimization of the magnetic configuration of propellers with effect Hall. This groups two objectives: on one hand the realization of a propeller with effect Hall the magnetic topology of which is completely customizable, which will establish a precious tool for the study of the impact of the magnetic field on the functioning of the propeller and on the other hand, the study of way of design rationalized of magnetic circuits for these same propellers. The first subject led to the realization of the PPS-Flex, a propeller proposing an innovative magnetic structure of circuit offering a large number of degrees of freedom in terms of regulation of the magnetic field produces. The second theme approached as for her resting on methods

Dans ces travaux, nous présentons des méthodes d'optimisation théoriques et numériques pour la conception optimale de circuits magnétiques pour propulseurs à effet Hall. Ces problèmes de conception sont des problèmes inverses très difficiles à résoudre que nous formulons sous forme de problèmes d'optimisation topologique. Les problèmes resultant sont non convexes avec des contraintes aux équations différentielles de Maxwell. Au cours de ces travaux, des approches originales ont été proposées afin de résoudre efficacement ces problèmes d'optimisation topologique. L'approche de densité de matériaux SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) qui est une variante de la méthode d'homogénéisation a été privilégiées. De plus, les travaux de ma thèse ont permis la mise en place de codes d'optimisation dénommé ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) utilisant en parallèle les logiciels de calculs scientifiques Matlab et d'élément finis FEMM (Finite Element Method Magnetics). Dans ATOP, nous utilisant à la fois des algorithmes d'optimisation locale de type descente basés sur une analyse de la sensibilité du problème et des algorithmes d'optimisation globale principalement de type Branch and Bound basés sur l'Arithmétique des Intervals. ATOP permettra d'optimiser à la fois la forme topologique des circuits magnétiques mais aussi le temps et le coût de production de nouvelles génération de propulseurs électriques. / In this work, we present theoretical and numerical optimization method for designing magnetic circuits for Hall effect thrusters. These design problems are very difficult inverse ones that we formulate under the form of topology optimization problems. Then, the obtained problems are non convex subject to Maxwell equations like constraints. Some original approaches have been proposed to solve efficiently these topology optimization problems. These approaches are based on the material density model called SIMP approach (Solid Isotropic Material with Penalization) which is a variante of the homogenization method. The results in my thesis allowed to provide optimization source code named ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) unsung in parallel two scientific computing softwares namely Matlab and FEMM (Finite Element Method Magnetics). In ATOP, we use both local optimization algorithms based on sensitivity analysis of the design problem; and global optimization algorithms mainly of type Branch and Bound based on Interval Arithmetic analysis. ATOP will help to optimize both the topological shape of the magnetic circuits and the time and cost of production (design process) of new generations of electrical thrusters.

Afin de réduire la consommation de puissance des futures générations de systèmesélectroniques, une solution est d’intégrer de la non-volatilité au sein même des cellulesmémoires. Dans cette optique, l’utilisation du retournement de l’aimantation d’un matériauferromagnétique comme support de l’information a été utilisée initialement dans un conceptde mémoire, la MRAM. La dernière évolution de cette technologie, la SOT-RAM, utilise desphénomènes nouveaux appelés SOTs afin de contrôler la direction de l’aimantation. Parrapport aux générations précédentes (STT-MRAM notamment), elle devrait permettred’améliorer la vitesse d’écriture en conservant une endurance adaptée pour des utilisations enmémoires cache où en mémoire centrale. Le terme SOTs est une dénomination généraledésignant l’ensemble des effets, encore mal connus, liés au couplage spin-orbite et permettantle retournement de l’aimantation d’une cellule mémoire.Ce travail de thèse a eu pour objectif d’étudier les SOTs via un système expérimental demesure quasi-statique basé sur les effets Hall extraordinaires et planaires. Sonimplémentation et la méthode d’analyse associée, ainsi que les considérations théoriquesnécessaires à l’interprétation des résultats sont détaillées dans ce manuscrit. Il a été montréque le retournement de l’aimantation dans des systèmes à aimantation perpendiculaire à basede cobalt-platine ne peut être expliqué par les modèles simples considérés jusqu’à présentdans la littérature. En effet, il a été mis en évidence qu’au moins deux effets simultanés doiventêtre pris en compte pour expliquer les phénomènes observés. Par ailleurs, ceux-ci présententune sensibilité différente à la fois à une altération de la structure cristalline et à une variationde température. / In order to reduce power consumption in next generations’ electronic devices, one potentialsolution is to implement non-volatility in memory cells. In this goal, the magnetizationswitching of a ferromagnetic material has been used in a memory concept: the MRAM. Thelatest development of this technology, called SOT-RAM, is based on new phenomena calledSOTs (Spin-Orbit Torques) in order to control magnetization direction. Contrary to precedentgenerations (STT-MRAM), it should achieve a higher operating speed and an enduranceadapted for cache and main memories applications. SOTs is a generic term referring to all theeffects, linked to the spin-orbit interaction, and that enable magnetization reversal. They areyet not perfectly understood.The main objective of this Ph.D. was then to study these SOTs through a quasi-staticexperimental measurement setup based on anomalous and planar Hall effects. Itsimplementation and the associated analysis method, as well as the required theoreticalconsiderations for data interpretation are detailed in this manuscript. It has been highlightedthat magnetization switching in perpendicularly magnetization cobalt-platinum systemscannot be explained by the simple models considered thus far in the literature. As a matter offact it has been evidenced that at least two effects have to be considered in order to explainobserved phenomena. In addition, they present different susceptibility both to a modificationof the crystal structure and to a temperature change.

Cette thèse est consacrée à l'étude de la décohérence de paquets d'onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique balistique. Les paquets d'onde sont générés à l'aide d'une capacité mésoscopique, utilisée comme source d'électrons uniques, qui sont émis à la demande dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique entier. Deux telles sources indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d'entrée d'une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à deux électrons se produisant sur la lame séparatrice. De cette manière, on réalise l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d'interférence dépend de la forme des paquets d'onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée au couplage capacitif, dû à l'interaction coulombienne, entre le canal de bord externe et les autres canaux de bord co-propageants, qui constituent un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle permet de générer une excitation collective de la densité de charge du canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence d'excitation, on peut sonder l'interaction Coulombienne entre deux canaux de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de l'apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé" rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la perte de contraste, observée dans l'expérience HOM, est essentiellement due à l'interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron se séparant (ou fonctionnalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa propagation. Durant le processus de fractionnalisation, l'état généré dans le canal de bord externe s'intrique avec son environnement (canaux de bord co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l'expérience HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus complexes telles que la tomographie de l'état du paquet d'onde sur la lame séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l'état dans le canal de bord externe. / This manuscript is devoted to the study of the decoherence of single electronic wavepackets injected in a balistic quantum conductor. The single electrons are emitted on-demand using a mesoscopic capacitor in the outer edge channel of the integer quantum Hall effect. Two independent and synchronized sources are located on the input arms of an electronic beam-splitter. The measurement of the current fluctuations (noise) in the output arms allows for the characterization of two-electron interferences occuring on the beam-splitter. This realizes the electronic analog of the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer. It appears that the contrast of the interference pattern depends on the shape of the emitted wavepackets. This loss of electronic coherence is caused by the capacitive coupling, due to the Coulomb interaction, between the outer edge channel and the other channels, which constitute a controlled environment for the outer channel. In order to validate this scenario, a second experiment has been realized. The mesoscopic capacitor is used in a different regime, in which it generates a collective charge density wave called edge magnetoplasmon. By characterizing the propagation of the edge magnetoplasmon as a function of frequency, one can probe the Coulomb interaction between the channels. The measurements show that this interaction is responsible for the appearance of two propagating eigenmodes: a fast charge mode and a slow neutral mode, and provide the determination of the slow mode velocity. The results of this second experiment are then used to establish that the reduction of the contrast observed in the HOM experiment is caused by this interchannel interaction. It is responsible for the destruction of the quasiparticles emitted by the source which fractionalize in charge pulses of charge e/2 along propagation. During the fractionalization process, the state generated in the outer channel gets entangled with the environment (other channels), hence reducing the contrast in the HOM experiment. More complex experiments, such as the tomography of the emitted electornic wavepacket to validate the full decoherence scenario, or the implementation of decoherence protection schemes can be envisioned in the future.

Des mesures d’ondes de spin propagatives ont été réalisées pour caractériser deux effets de l’interaction spin-orbite ainsi que le transport électrique dépendant du spin. Les effets du couplage spin-orbite ont été étudiés dans des bicouches nickel-fer/platine. Dans ces films, les fréquences de deux ondes de spin contre-propageantes ne sont pas les mêmes, ce qui est attribué à l’effet combiné d’une interaction magnétique chirale appelée interaction Dzyaloshinskii-Moriya et d’une asymétrie dans l’épaisseur du film magnétique. En appliquant le courant électrique dans ce système nous avons observé une modification du taux de relaxation de l’onde de spin qui est attribuée au transfert de spin induit par effet Hall de spin. D’autre part, les études de propagation d’ondes de spin dans une couche mince de fer épitaxié à température ambiante ont montré une polarisation en spin du courant électrique de 83%, ce qui est attribué à une forte asymétrie du couplage électron-phonon. / Propagating spin wave measurements were realised to characterize two spin-orbit related phenomena, as well as spin dependent electrical transport. The effects of spin-orbit coupling have been studied in nickel-iron/platinum bilayers. It has been shown that in these films the frequencies of two counter-propagating spin waves are not the same, which is attributed to the combined effects of a chiral magnetic interaction named Dzyaloshinskii-Moriya interaction and an asymmetry of the magnetic properties across the film thickness. By applying an electrical current in such system we have observed a modification of the spin wave relaxation rate due to the spin transfer torque induced by spin Hall effect. On the other hand, from the study of spin wave propagation in thin epitaxial iron films at room temperature, a degree of spin polarization of the electrical current of 83% was extracted, which is attributed to a significant spin-asymmetry of the electron-phonon coupling.

Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes bi-dimensionels et uni-dimensionels à base de graphène sous champ magnétique pulsé (60T). L'objectif de ces travaux consiste à sonder la dynamique des porteurs de charge en modifiant la densité d'états du système par l'application d'un champ magnétique. Une première partie est consacrée à l'étude de l'influence des îlots électrons-trous sur les propriétés de transport du graphène au voisinage du point de neutralité de charge. Nous avons constaté l'apparition de fluctuations de la magnéto-résistance liée à la transition progressive des îlots de taille finie dans le régime quantique lorsque le champ magnétique augmente. Nous avons aussi montré que la variation de l'énergie de Fermi, liée à l'augmentation de la dégénérescence orbitale des niveaux de Landau, est directement responsable d'une modification du ratio entre électrons et trous. Dans une deuxième partie consacrée à l'étude des nanorubans de graphène, nous avons exploré deux gammes de largeur différentes. Dans les rubans larges (W>60nm), la quantification de la résistance a été observée révélant ainsi une signature évidente de la quantification du spectre énergétique en niveaux de Landau. Le confinement magnétique des porteurs de charge sur les bords des nanorubans a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la levée de dégénérescence de vallée liée à la configuration armchair du ruban. Pour des rubans plus étroits (W<30nm), en présence de défauts de bord et d'impuretés chargées, la formation progressive des états de bords chiraux donne lieu à une magnéto-conductance positive quelque soit la densité de porteurs. Enfin, la dernière partie traite du magnéto-transport dans le graphene multi-feuillet. En particulier, nous avons observé l'effet Hall quantique dans les systèmes tri-couche de graphène. Une étude comparative des résultats expérimentaux avec des simulations numériques a permis de déterminer l'empilement rhombohedral des trois couches de graphene constituant l'échantillon / This thesis presents transport measurements on two-dimensional and one-dimensional graphene-based systems under pulsed magnetic field (60T). The objective of this work is to probe the dynamics of charge carriers by changing the density of states of the system by applying a strong magnetic field. The first part is devoted to the study of the influence of electron-hole pockets on the transport properties of graphene near the charge neutrality point. We found the appearance of fluctuations in the magneto-resistance due to the progressive transition of the electron/hole puddles of finite size in the quantum regime as the magnetic field increases. We have also shown that the variation of the Fermi energy, due to the increase of orbital Landau level degeneracy, is directly responsible of a change in the electron and hole ratio. The second part is devoted to the study of graphene nano-ribbons, we explored two different ranges of width. In the broad nano-ribbons of width W larger than 60 nm, the quantification of the resistance is observed, revealing a clear signature of the quantization of the energy spectrum into Landau levels. We show for the first time the effect of valley degeneracy lifting induced by the magnetic confinement of charge carriers at the edges of the armchair nano-ribbons. For narrower nano-ribbons (W <30 nm) in presence of edge defects and charged impurities, the progressive formation of chiral edge states leads to a positive magneto-conductance whatever the carrier density. Finally, the last part of this thesis deals with magneto-transport fingerprints in multi-layer graphene as we observed the quantum Hall effect in tri-layer graphene. A comparative study of the experimental results with numerical simulations was used to determine the rhombohedral stacking of three layers of graphene in the sample

La première partie de la thèse étudie le balayage des gradients de conductivité électrique avec la force de Lorentz induite par ultrasons (SECG-UILF). Pour réduire la puissance de stimulation instantanée du transducteur émetteur et en même temps la pression acoustique maximale du transducteur, cette thèse propose d'appliquer l'excitation de l'impulsion ultrasonore à la modulation de fréquence linéaire ou l'excitation de l'impulsion ultrasonore à fréquence sinusoïdale dans SECG-UILF. Pour les gradients de conductivité électrique à balayage avec la force de Lorentz induite par l’ultrasons à la modulation de fréquence linéaire (SECG-LFM-UILF), un signal électrique de puissance instantanée maximale de 39,54 dBm est utilisé pour exciter le transducteur de transmission, ce qui est inférieur de 25,5 dB à la puissance instantanée maximale de l'impulsion étroite haute tension négative (65,05 dBm) adopté dans le SECG-UILF traditionnel. Et en temps, la pression acoustique d'émission maximale dans le SECG-LFM-UILF est inférieure de 0,44 MPa à celle du SECG-UILF traditionnel. Des expériences de SECG-LFM-UILF sont effectuées en utilisant des fantômes de conductivité à la gélose saline à plusieurs formes de conductivité allant de 0,2 S/m à 0,5 S/m, ce qui montre que: (1) le SECG-LFM-UILF peut détecter avec précision la distance longitudinale des gradients de conductivité électrique; (2) le rapport signal sur bruit des images de balayage B reconstituées de la distribution de gradient de conductivité électrique par le SECG-LFM-UILF est comparable à celui obtenu par le biais du SECG-UILF traditionnel; et (3) en utilisant une largeur de bande de fréquence de modulation de 2 MHz et une durée de modulation de 500 μs, une résolution longitudinale de 1 mm est obtenue. Pour balayer des gradients de conductivité électrique avec une force de Lorentz induite par ultrasons à fréquence fréquentielle (SECG-SF-UILF), le schéma de démodulation en phase présente une implémentation matérielle plus simple que le schéma de démodulation IQ, mais ne peut détecter que la moitié de la plage longitudinale. Des expériences de SECG-SF-UILF sont effectuées sur un échantillon de feuille de cuivre à deux couches, qui démontrent qu’en utilisant une largeur de bande de fréquences de 2 MHz et 64 fréquences discrètes, la plage longitudinale de l’échantillon peut être détectée avec précision. La deuxième partie de la thèse étudie l'élastographie à base d'approche de corrélation croisée. Pour élargir la largeur de bande de fréquence du champ de déplacement de l’onde de cisaillement afin d’améliorer la qualité de la carte de vitesse de l’onde de cisaillement, cette partie étudie l’application de la force de Lorentz pour la génération de champs d’onde de cisaillement. Tout d'abord, la génération des sources des ondes de cisaillement sur la surface du support souple à travers le mécanisme de la force de Lorentz est étudiée en stimulant un anneau ou un patch conducteur non ferromagnétique avec un champ magnétique transitoire. La mesure de déplacement à l'aide d'une sonde laser interférométrique confirme les caractéristiques d'origine, de fréquence et d'amplitude de la force de Lorentz. Sous un champ magnétique transitoire dont la vitesse de changement est de 10,44 kTs-1, le patch génère une source de champ des ondes de cisaillement d'amplitude de 100 µm à la surface de l'échantillon de fantôme d'alcool polyvinylique (PVA). Ensuite, le potentiel des champs d'ondes de cisaillement générés pour la reconstruction de la vitesse des ondes de cisaillement basée sur la corrélation croisée est exploré. Sur la base de l’approche de corrélation croisée, les cartes qualitatives de la vitesse des ondes de cisaillement sont reconstruites à partir de 100 cadres des champs de déplacement, à partir desquels les interfaces ou les limites entre des régions de rigidité différente peuvent être clairement reconnues, lesquelles sont complètement dissimulées dans les images ultrasonores / The first part of the thesis studies the scanning electric conductivity gradients with ultrasonically induced Lorentz force (SECG-UILF). To reduce the instantaneous stimulation power to the transmitting transducer and at the same time the peak acoustic pressure from the transducer, this thesis proposes to apply the linearly frequency-modulated ultrasound pulse excitation or the sinusoidal step-frequency ultrasound pulse excitation in SECG-UILF. For the scanning electric conductivity gradients with linearly frequency-modulated ultrasound-induced Lorentz force (SECG-LFM-UILF), electrical signal of peak instantaneous power of 39.54 dBm is used to excite the transmitting transducer, which is 25.5 dB lower than the peak instantaneous power of the negative high-voltage narrow pulse (65.05 dBm) adopted in traditional SECG-UILF; and at the same time, the peak transmitting acoustic pressure in SECG-LFM-UILF is 0.44 MPa lower than that in traditional SECG-UILF. Experiments of SECG-LFM-UILF are done using multi-shaped saline agar phantoms of conductivity ranging from 0.2 S/m to 0.5 S/m, which show that: (1) the SECG-LFM-UILF can detect precisely the longitudinal distance of the electric conductivity gradients; (2) the signal-to-noise ratio of the reconstructed B-scan images of the electrical conductivity gradient distribution by the SECG-LFM-UILF are comparable to that obtained through the traditional SECG-UILF; and (3) using modulation frequency bandwidth of 2 MHz and modulation duration of 500 μs, a longitudinal resolution of 1 mm is achieved. For the scanning electric conductivity gradients with step-frequency ultrasound induced Lorentz force (SECG-SF-UILF), the in-phase demodulation scheme is simpler in hardware implementation than the IQ demodulation scheme but can only detect half of the longitudinal range. Experiments of SECG-SF-UILF are done on a sample of two-layer copper foil, which demonstrate that, using a frequency bandwidth of 2 MHz and 64 discrete frequencies, the longitudinal range of the sample can be detected precisely. The second part of the thesis studies the cross-correlation approach based elastography. To expand the frequency bandwidth of the shear wave displacement field so as to improve the quality of the shear wave velocity map, this part studies application of the Lorentz force for generation of shear wave fields. First, generation of shear wave sources on the soft medium surface through the mechanism of the Lorentz force is investigated by stimulating a non-ferromagnetic conductive ring or patch with a transient magnetic field. The origin and the frequency and amplitude characteristics of the Lorentz force acting on the conductive ring are confirmed by the displacement measurement using an interferometric laser probe. Under a transient magnetic field of changing rate of 10.44 kTs-1, the patch generates a shear wave field source of amplitude of 100 μm at the surface of the sample of polyvinyl alcohol (PVA) phantom. The shear wave fields created and propagating in the PVA phantom by experiments agree qualitatively well with the theoretical shear wave fields calculated through the analytical Green function solution. Then, the potential of the generated shear wave fields for the cross-correlation based shear wave velocity reconstruction is explored. Based on the cross-correlation approach, the qualitative shear wave velocity maps are reconstructed from 100 frames of the displacement fields, from which the interfaces or boundaries between regions of different stiffness can be clearly recognized, which are completely concealed in the ultrasound images

Les mémoires non-volatiles (MNV) sont l'objet d'un effort de recherche croissant du fait de leur capacité à limiter la consommation statique, qui obère habituellement la réduction des dimensions dans la technologie CMOS. Dans ce contexte, cette thèse aborde plus spécifiquement deux technologies de mémoires non volatiles : d'une part les jonctions tunnel ferroélectriques (JTF), dispositif non volatil émergent, et d'autre part les dispositifs à transfert de spin (TS) assisté par effet Hall de spin (EHS), approche alternative proposée récemment pour écrire les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Mon objectif est de développer des modèles compacts pour ces deux technologies et d'explorer, par simulation, leur intégration dans les circuits non-volatiles.J'ai d'abord étudié les modèles physiques qui décrivent les comportements électriques des JTF : la résistance tunnel, la dynamique de la commutation ferroélectrique et leur comportement memristif. La précision de ces modèles physiques est validée par leur bonne adéquation avec les résultats expérimentaux. Afin de proposer un modèle compatible avec les simulateurs électriques standards, nous j'ai développé les modèles physiques mentionnés ci-dessus en langue Verilog-A, puis je les ai intégrés ensemble. Le modèle électrique que j'ai conçu peut être exploité sur la plate-forme Cadence (un outil standard pour la simulation de circuit). Il reproduit fidèlement les comportements de JTF. Ensuite, en utilisant ce modèle de JTF et le design-kit CMOS de STMicroelectronics, j'ai conçu et simulé trois types de circuits: i) une mémoire vive (RAM) basée sur les JTF, ii) deux systèmes neuromorphiques basés sur les JTF, l'un qui émule la règle d'apprentissage de la plasticité synaptique basée sur le décalage temporel des impulsions neuronale (STDP), l'autre mettant en œuvre l'apprentissage supervisé de fonctions logiques, iii) un bloc logique booléen basé sur les JTF, y compris la démonstration des fonctions logiques NAND et NOR. L'influence des paramètres de la JTF sur les performances de ces circuits a été analysée par simulation. Finalement, nous avons modélisé la dynamique de renversement de l'aimantation dans les dispositifs à anisotropie perpendiculaire à transfert de spin assisté par effet Hall de spin dans un JTM à trois terminaux. Dans ce schéma, deux courants d'écriture sont appliqués pour générer l'EHS et le TS. La simulation numérique basée sur l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) démontre que le délai d'incubation de TS peut être éliminé par un fort EHS, conduisant à la commutation ultra-rapide de l'aimantation, sans pour autant requérir une augmentation excessive du TS. Nous avons appliqué cette nouvelle méthode d'écriture à la conception d'une bascule magnétique et d'un additionneur 1 bit magnétique. Les performances des circuits magnétiques assistés par l'EHS ont été comparés à ceux écrits par transfert de spin, par simulation et par une analyse fondée sur le modèle théorique. / Non-volatile memory (NVM) devices have been attracting intensive research interest since they promise to solve the increasing static power issue caused by CMOS technology scaling. This thesis focuses on two fields related to NVM: the one is the ferroelectric tunnel junction (FTJ), which is a recent emerging NVM device. The other is the spin-Hall-assisted spin-transfer torque (STT), which is a recent proposed write approach for the magnetic tunnel junction (MTJ). Our objective is to develop the compact models for these two technologies and to explore their application in the non-volatile circuits through simulation.First, we investigated physical models describing the electrical behaviors of the FTJ such as tunneling resistance, dynamic ferroelectric switching and memristive response. The accuracy of these physical models is validated by a good agreement with experimental results. In order to develop an electrical model available for the circuit simulation, we programmed the aforementioned physical models with Verilog-A language and integrated them together. The developed electrical model can run on Cadence platform (a standard circuit simulation tool) and faithfully reproduce the behaviors of the FTJ.Then, using the developed FTJ model and STMicroelectronics CMOS design kit, we designed and simulated three types of circuits: i) FTJ-based random access memory (FTRAM), ii) two FTJ-based neuromorphic systems, one of which emulates spike-timing dependent plasticity (STDP) learning rule, the other implements supervised learning of logic functions, iii) FTJ-based Boolean logic block, by which NAND and NOR logic are demonstrated. The influences of the FTJ parameters on the performance of these circuits were analyzed based on simulation results.Finally, we focused on the reversal of the perpendicular magnetization driven by spin-Hall-assisted STT in a three-terminal MTJ. In this scheme, two write currents are applied to generate spin-Hall effect (SHE) and STT. Numerical simulation based on Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation demonstrates that the incubation delay of the STT can be eliminated by the strong SHE, resulting in ultrafast magnetization switching without the need to strengthen the STT. We applied this novel write approach to the design of the magnetic flip-flop and full-adder. Performance comparison between the spin-Hall-assisted and the conventional STT magnetic circuits were discussed based on simulation results and theoretical models.

Le but est d’explorer l’interaction entre les particules quantiques et la gravitation. On utilisera la quantification de Landau, l’effet Hall quantique et on examinera la relation entre la gravitation et l’effet Josephson. On propose une version de l’expérience "COW" (Colella-Overhauser-Werner) pour examiner les déviations de la loi du carré inverse de type Yukawa et de puissance inverse. Il est question de montages permettant d’investiguer la possibilité de mesurer le gravitomagnétisme et la constante de la gravitation G. On a examiné les transitions quantiques pour des neutrons ultra-froids (Ultra-Cold Neutron : UCN). Les résultats étaient satisfaisants pour 105 UCN. On a imaginé un effet laser avec ces neutrons émetteurs de gravitons : le phénomène est cependant très faible. Pour les corrections des niveaux de Landau : on a utilisé trois types d’espace-temps. Pour Schwarzschild, en utilisant une masse perturbatrice, les corrections d’ordres 1 et 2 dépendent du niveau n et du nombre quantique `. Cela enlève la dégénérescence des niveaux conventionnels. On obtient des résultats similaires pour les espaces-temps de Kerr et de Levi-Civita. On a proposé une expérience analogue à l’expérience COW. On a des déphasages malgré de faibles valeurs anticipées : de 10^−18 rad à 10^−4 rad pour le type Yukawa et de 10^−3 rad à 10^−9 rad pour puissance inverse. On a proposé des mesures possibles pour le gravitomagnétisme. On a aussi repris l’étude de l’influence de la gravitation sur l’effet Hall quantique. On obtient de faibles corrections pour un champ gravitationnel. On ne peut toutefois pas conclure à des quantités mesurables pour les déviations de type Yukawa et de puissance inverse. Par contre, on peut utiliser l’effet pour mesurer G avec grande précision. On a examiné l’effet Josephson sous l’effet de la gravitation en imaginant un montage simple. On a d’excellents résultats : des corrections de 10^−7 à 10^−9 Hz pour des déviations de type Yukawa et 10^−6 Hz pour des déviations en puissance inverse. Surtout, le lien entre la gravitation et la fréquence du courant de Josephson est clairement établit et mesurable. / The goal is to explore the interaction between quantum particles and gravitation. We will use Landau quantization, the quantum Hall effect and we will examine the relationship between gravity and Josephson’s effect. We propose a version of "COW" experience (Colella-Overhauser-Werner) to examine the Yukawa and inverse power deviations. We propose setups to investigate the possibility to measure gravitomagnetism and the gravitational constant G. Quantum transitions for ultra-cold neutrons (UCN) have been examined. The results were satisfactory for 105 UCN. We imagined a laser effect with these graviton emitting neutrons: the phenomenon is however very weak. For Landau level corrections: we proceeded with three types of space-times. For Schwarzschild, using a disturbing mass, the corrections of orders 1 and 2 depend on the level n and the quantum number "`". This removes the degeneracy of conventional levels. Similar results are obtained for the Kerr and the Levi-Civita spacetimes. We took over an analog of the COW experiment. We have phase shifts despite low expected values: from 10^−18 rad to 10^−4 rad for Yukawa and from 10^−3 rad to 10^−9 rad for inverse power laws. The same setup has been proposed for testing gravitomagnetism. We have also resumed the study of the influence of gravity on the quantum Hall effect. Small corrections are obtained for a gravitational field. We cannot however conclude with measurable quantities for Yukawa and inverse power laws. On the other hand, one can use the effect to measure G with great precision. We examined the Josephson effect under the effect of gravity by imagining a simple setup. We have excellent results: corrections from 10^−7 to 10^−9 Hz for Yukawa and 10^−6 Hz for inverse power law. Above all, the link between gravity and the frequency of Josephson’s current is clearly established and measurable.