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.

Depuis la proposition en 2006 d’utiliser des nano aimants réalisés par des techniques top-down pour reproduire des « spins artificiels », l’étude des systèmes de spins artificiels a suscité un large intérêt. En effet la possibilité de pouvoir réaliser arbitrairement tous types de réseaux de spins artificiels et de pouvoir imager les configurations magnétiques de ceux-ci dans l’espace direct, offre un large terrain de jeu dans le domaine de la physique statistique. Jusqu’à présent seuls des réseaux de spins d’Ising, multi axes (réseaux kagomé ou carré avec une aimantation planaire) ou plus récemment uni axes (avec une anisotropie perpendiculaire), ont été étudiés. Cependant en physique statistique d’autres modèles de spins sont étudiés et notamment les modèles de Potts à q-états. Au cours de cette thèse nous avons étudié le cas d’un modèle de Potts à 4 états, ayant la particularité de posséder uniquement des interactions dipolaires entre les spins: le modèle de Potts dipolaire. Nous avons tout d’abord réalisé une étude théorique, montrant que sur un réseau carré, en fonction de l’angle entre les spins et ce réseau, le système possède des états fondamentaux très différents : un ordre antiferromagnétique, un ordre respectant les règles de la glace (2 in- 2 out) ou un ordre ferromagnétique. Dans une deuxième partie, nous avons exposé l’étude expérimentale du modèle de Potts dipolaire. Des réseaux formés d’aimants carrés ayant 300 nm de côté ont été réalisés par lithographie électronique, à partir d’une couche épitaxiée de Fer possédant une anisotropie quadratique. A température ambiante, ces plots possèdent une configuration magnétique monodomaine pouvant prendre 4 directions équivalentes, comme recherché pour le modèle de Potts dipolaire à 4 états. Un passage à 350°C (inférieure à la température de Curie) sous champ nul permet d’activer thermiquement la réorientation des spins afin qu’ils se rapprochent de l’état fondamental de l’assemblée de spins. Les configurations magnétiques observées après recuit, à l’aide d’un microscope à force magnétique, montrent l’importance du couplage dipolaire sur les états obtenus, ainsi que l’influence de l’angle entre les spins et l’axe du réseau. Les différentes configurations prédites théoriquement sont bien observées / Since the proposal in 2006 to use nanomagnets patterned by top-down techniques to mimic "artificial spins", the studies of artificial spin systems has attracted wide interest. As a matter of facts, the possibility to design "upon request" arbitrary network and the possibility to determine completely the "spin" configuration with magnetic imaging offer a wide playground for statistical physics. Up to now only Ising spin systems, multi axes with planar magnetization (on square or Kagome lattice) or more recently, single axis with perpendicular anisotropy, have been studied. However, beyond Ising spins, statistical physics and condensed matter physics have shown the interest of other spin models like q-state Potts models. In this thesis, we introduce the dipolar 4-state Potts model. It is shown that on a square lattice, depending on the angle between spins and lattice, the system present very different properties like antiferromagnetic order, spin ice state (2 in-2 out ice rule) and even dipolar ferromagnetism. This model has been realized experimentally. 300 nm square magnets are patterned from a 2 nm thick Fe layer with cubic anisotropy. At room temperature, the magnets present a uniform state with 4 equivalent directions. Upon heating at 350 °C the magnets switch from one direction to another. It is therefore possible to simply drive the system toward its ground state. The magnetic configurations determined by magnetic force microscopy reveals the importance of the dipolar coupling as the different expected ground states (antiferromagnetic, spin ice and ferromagnetic) are indeed observed. It is noticeable that these very different properties are obtained with the same "spins" (magnetic elements) and same lattice

Les énergies typiques de l’interaction dipolaire entre atomes de Rydberg sont plusieurs ordres de grandeur au-dessus des énergies d’interaction d’atomes et molécules dans le niveau fondamental. Une échelle de distance de plusieurs micromètres découle de cette interaction, ce qui est à l’origine du phénomène de blocage dipolaire, ou la suppression d’excitations d’atomes de Rydberg dans des nuages atomiques denses. Dans une première partie de cette thèse, nous étudions l’application de ce phénomène à l’excitation déterministe d’un atome unique à partir d’un condensat de Bose-Einstein piégé magnétiquement devant une puce à atomes. Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’interaction dipolaire d’ensembles denses d’atomes de Rydberg par spectroscopie microonde des transitions vers les niveaux de Rydberg proches en énergie. Ces ensembles sont créés par excitation laser à partir d’un nuage froid d’atomes de Rb87 dans l’état fondamental. Les spectres des transitions microonde sont élargis et déplacés par l’interaction dipolaire. L’étude de ces spectres permet ainsi d’inférer plusieurs aspects de la distribution spatiale des atomes de Rydberg créés, ce qui révèle différents processus d’excitation selon que la lumière laser est à résonance ou désaccordée. L’évolution mécanique du nuage d’atomes de Rydberg en fonction de leur interaction répulsive a aussi été observée, grâce à une série de spectres microonde à différents délais de l’excitation. Nous montrons ainsi que, pour des échelles temporelles supérieures à 10µs, leur mouvement doit être pris en compte pour la compréhension de la dynamique d’excitation de Rydberg dans des nuages atomiques denses. / The typical energy scales that arise from dipolar interaction between Rydberg atoms are orders of magnitude bigger than those related to the interaction between atoms and molecules at the ground level. A length scale of several micrometres stems from that strong interaction, which is the cause of the so-called dipole blockade effect, or the suppression of excitation of Rydberg atoms within dense atomic clouds. In the first part of this thesis, we study the possibility of using this effect to the deterministic excitation of a single atom within a Bose-Einstein condensate in a magnetic trap created on an atom chip. In a second part, we study the dipolar interaction of Rydberg atoms in dense ensembles, through microwave spectroscopy of transitions between Rydberg levels close in energy. These ensembles are created by laser excitation of Rb87 atoms initially in the ground level, trapped in a dense, cold cloud. The spectra of the microwave transitions are broadened and shifted, due to dipolar interaction. The study of these spectra then allows to infer several aspects of the spatial distribution of the Rydberg atoms, which reveals different excitation processes depending whether the laser light is in resonance or shifted with respect to the Rydberg transition. The mechanical evolution of the Rydberg atom cloud as a function of their mutual repulsive interaction was also observed, by performing microwave spectroscopy at different delays from the laser excitation. By these observations we show that, for time scales bigger than 10µs, their movement must be taken into account if one wants to understand the dynamics of the Rydberg excitation in dense atomic clouds.

Dans ce mémoire nous présentons plusieurs études expérimentales des propriétés magnétiques d’un condensat de Bose-Einstein de Chrome chargé dans un réseau 3D, en nous focalisant sur les effets associés aux interactions dipolaires. Nous montrons que dans un réseau 3D, la relaxation dipolaire est un processus résonant du fait de la réduction de la densité d’états orbitaux accessibles. Les résonances sont observées à des champs magnétiques Bres tels que l’énergie Zeeman relâchée soit égale à l’énergie nécessaire à exciter les atomes dans une bande d’énergie supérieure du réseau. Nous pouvons inhiber ce processus en appliquant un champ différent de Bres. L’analyse des résonances a permis de sonder la structure de bande 3D du réseau, ainsi que la mise en évidence de l’effet des interactions entre atomes. Nous avons étudié la dynamique d’échange de spin dans un réseau 3D. Nous présentons en particulier la première observation d’échange de spin entre atomes localisés dans des sites séparés. Ces études permettent une exploration nouvelle du magnétisme en réseau. En variant la profondeur du réseau, nous étudions ces effets dans le régime superfluide, bien décrit par une théorie de champ moyen, et dans le régime fortement corrélé, dont la description théorique est difficile. Enfin, nous étudions l’évolution de deux spins géants interagissant par interaction dipolaire. Le condensat initialement divisé en deux, les atomes des deux nuages sont préparés dans des états de spin opposés formant ainsi deux spins géants ±3xN. Nous montrons que toute dynamique de spin est énergétiquement inhibée pour de grands spins ce qui est bien reproduit par une théorie classique. / This Thesis reports on several experimental studies of magnetic properties of a Chromium Bose-Einsteincondensate loaded into a 3D optical lattice, focusing on the effects induced by dipolar interactions.We show that in a 3D lattice dipolar relaxation is a resonant process due to the reduction of the density ofaccessible orbital states. These resonances are observed for magnetic fields Bres such that the Zeeman energyreleased matches an excitation towards higher-energy bands of the lattice. We can thus inhibit those processes byapplying a field different from Bres. Analyses of the resonances allowed us to probe the lattice 3D band structureas well as to demonstrate the effects of local interactions between atoms.We study spin exchange dynamics in a 3D lattice. We especially observed for the first time spin exchangebetween atoms localized in different lattice sites mediated by dipolar interactions. These studies are the firststep toward a new exploration of magnetism in lattice. Varying the depth of the lattice we study these effects inthe superfluid regime, well described by mean filed theories, as well as in the strongly correlated regime, whosetheoretical description is still challenging.Finally, we study the evolution dynamics of two giant spins interacting through dipolar interactions. Thecondensate being initially splitted in half, atoms from the two clouds are prepared in opposite spin states thusproducing two giant spins ±3×N. We show that any spin dynamics is energetically inhibited for large spinswhich is well accounted for by a classical theory

La simulation quantique offre un moyen très prometteur pour comprendre les systèmes quantiques corrélés macroscopiques. De nombreuses plateformes expérimentales sont en cours d'élaboration. Les atomes de Rydberg sont particulièrement intéressants grâce à leur forte interaction dipolaire de cours portée. Dans notre manip, nous préparons et manipulons des ensembles d'atomes de Rydberg excités à partir d'un nuage atomique ultra-froid piégé magnétiquement sur une puce à atome supraconductrice. La dynamique de l'excitation est contrôlée par le processus d'excitation du laser. Le spectre d'énergie d'interaction atomique des N corps est mesuré directment par spectroscopie micro-onde. Dans cette thèse, nous développons un modèle Monte Carlo rigoureux qui nous éclaire sur le processus d'excitation. En utilisant ce modèle, nous discutons de la possibilité de réaliser des simulations quantiques du transport d'énergie sur une chaîne 1D d'atomes de Rydberg de faible moment angulaire. De plus, nous proposons une plateforme innovante pour la réalisation de simulations quantiques. Elle repose sur une approche révolutionnaire basée sur un ensemble d'atomes de Rydberg dont le temps de vie est extrêmement long, qui interagissent fortement et qui sont piégés par laser. Nous présentons les résultats de simulations numériques et nous discutons du large éventail de problèmes qui peuvent être traités avec le modèle proposé. / Quantum simulation offers a highly promising way to understand large correlated quantum systems, and many experimental platforms are now being developed. Rydberg atoms are especially appealing thanks to their strong and short-range dipole-dipole interaction. In our setup, we prepare and manipulate ensembles of Rydberg atoms excited from an ultracold atomic cloud magnetically trapped above a superconducting chip. The dynamics of the Rydberg excitation can be controlled through the laser excitation process. The many-body atomic interaction energy spectrum is then directly measured through microwave spectroscopy. This thesis develops a rigorous Monte Carlo model that provides an insight into the excitation process. Using this model, we discuss a possibility to explore quantum simulations of energy transport in a 1D chain of low angular momentum Rydberg atoms. Furthermore, we propose an innovative platform for quantum simulations. It relies on a groundbreaking approach, based on laser-trapped ensemble of extremely long-lived, strongly interacting circular Rydberg atoms. We present intensive numerical results as well as discuss a wide range of problems that can be addressed with the proposed model.

Dans ce travail, l'influence du champ magnétique sur la transformation de phase diffusionnelle dans des alliages Fe-C de haute pureté a été étudiée théoriquement et expérimentalement. Les caractéristiques microstructurales et celles d'orientations cristallographiques induites par le champ magnétique ont été soigneusement étudiées dans trois alliages Fe-C à différents taux de carbone, à savoir Fe-0.12C, Fe-0.36C, Fe-1.1C. Le champ magnétique induit différentes microstructures alignées et allongées le long de la direction du champ, à savoir des colonies de perlite alignées et allongées dans l'alliage Fe-0.12C et des grains allongés de ferrite proeutectoïde dans l'alliage Fe-0.36C, en raison de l'interaction magnétique dipolaire à deux différentes échelles. Le champ magnétique augmente la quantité de ferrite dans les alliages hypoeutectoïdes et cet effet du champ est plus prononcé avec l'augmentation du taux de carbone. Le champ magnétique inhibe la formation de ferrite de Widmanstätten en introduisant une force motrice supplémentaire pour la transformation ferritique et réduisant ainsi la nécessité de l'interface de faible énergie qui est requise pour surmonter les barrières de transformation durant le processus de refroidissement lent. Le champ magnétique favorise la formation de la structure anormale en augmentant la force d'entraînement de la transformation de l'austénite appauvrie en carbone en ferrite et il améliore la sphereoidization de perlite en raison de son influence sur l'accélération de la diffusion de carbone entraînée par l'augmentation de la température de transformation, ainsi que son effet sur l'augmentation de l'énergie relative de l'interface ferrite /cémentite. L'augmentation de la solubilité du carbone dans la ferrite induite par le champ est mise en évidence à travers les mesures WDS-EPMA pour la première fois. Des calculas ab-initio montrent que la présence d'un atome de carbone interstitiel dans Fe-C modifie les moments magnétiques des atomes de Fe voisins. Ceci conduit à la diminution de l'énergie de démagnétisation du système et rend le système énergétiquement plus stable dans le champ magnétique. En raison de l'interaction dipolaire magnétique à l'échelle atomique, le champ magnétique favorise la nucléation et la croissance des grains de ferrite ayant leur direction <001> distordue parallèle à la direction du champ transversal, et induit donc l'augmentation de la composante de fibre <001> dans le sens transversal par rapport à la direction du champ. Cet effet du champ est relié à la distorsion du réseau cristallin induite par une solution de carbone et son impact devient plus fort avec l'augmentation de la teneur en carbone et l'intensité du champ. Trois relations d'orientations (OR) entre la ferrite perlitique et la cémentite ont été trouvées dans ce travail, à savoir l'OR Isaichev (IS) et deux OR proches des OR Pitsch-Petch (PP). Le champ magnétique ne modifie guère les types d'OR qui apparaissent, mais il augmente considérablement la fréquence d'occurrence des OR P-P2, en particulier dans l'alliage Fe-1.1C, en favorisant la nucléation de la ferrite / In this work, the influence of the magnetic field on diffusional phase transformation in high purity Fe-C alloys has been investigated theoretically and experimentally. The magnetic field induced microstructural features and crystallographic orientation characteristics have been thoroughly studied in three different carbon content alloys: Fe-0.12C, Fe-0.36C and Fe-1.1C alloys. Magnetic field induces different aligned and elongated microstructures along the field direction, namely aligned and elongated pearlite colonies in Fe-0.12C alloy and elongated proeutectoid ferrite grains in Fe-0.36C alloy, due to the two scaled magnetic dipolar interaction. Magnetic field increases the amount of ferrite in hypoeutectoid alloys and this field effect becomes more pronounced with the increase of the carbon composition. Magnetic field inhibits the formation of Widmanstätten ferrite by introducing additional driving force to ferritic transformation and thus reducing the need for low energy interface which is required to overcome the transformation barriers during slow cooling process. Magnetic field promotes the formation of abnormal structure by increasing the driving force of transformation from carbon-depleted austenite to ferrite and it enhances the spheroidization of pearlite due to its influence on accelerating carbon diffusion resulting from increased transformation temperature, together with its effect on increasing the relative ferrite/cementite interface energy. The field induced enhancement of carbon solution in ferrite is evidenced through the WDS-EPMA measurements for the first time. Ab-initio calculations reveal that the presence of an interstitial carbon atom in bcc Fe modifies the magnetic moments of its neighboring Fe atoms. This leads to the decrease of the demagnetization energy of the system and makes the system energetically more stable under the magnetic field. Due to the atomic-scaled magnetic dipolar interaction, magnetic field favors the nucleation and growth of the ferrite grains with their distorted <001> direction parallel to the transverse field direction, and thus induces the enhancement of the <001> fiber component in the transverse field direction. This field effect is related to the crystal lattice distortion induced by carbon solution and its impact becomes stronger with the increase of the carbon content and the field intensity.Three ORs between pearlitic ferrite and cementite have been found in present work, namely Isaichev (IS) OR and two close Pitsch-Petch (P-P) ORs. Magnetic field hardly changes the types of the appearing ORs, but it considerably increases the occurrence frequency of the P-P2 OR, especially in Fe-1.1C alloy, by favoring the nucleation of ferrite

L’objectif de cette thèse est d’explorer analytiquement et numériquement la dynamique d’aimantation de nanoparticules magnétiques. Nous montrons qu’il est possible de contrôler efficacement le retournement d’aimantation d’une nanoparticule à l’aide d’une excitation autorésonante. Cette étude révèle que l’amortissement de Gilbert et la température altèrent l’efficacité de ce procédé, tandis que les interactions dipolaires peuvent le faciliter. Les propriétés stationnaires d’une monocouche de nanoparticules sont également étudiées en reproduisant numériquement des courbes ZFC. Nous observons ainsi qu’un désordre structurel ne modifie pas la température de blocage. Enfin, nous étudions le comportement d’un ensemble de nanoparticules en interaction dans un fluide à l’aide de simulations de dynamique moléculaire. Nous retrouvons les configurations à l’équilibre en forme de chaînes et d’anneaux, puis nous examinons les aspects dynamiques en mettant en évidence l’existence d’ondes de spins. / The goal of this thesis is to explore analytically and numerically the magnetization dynamics in magnetic nanoparticles. Firstly, we study the Néel dynamics of fixed. We show that one can efficiently control the magnetization reversal of a nanoparticle by using a chirped excitation (autoresonance). This study reveals that the Gilbert damping and the temperature alter the efficiency of the reversal, while dipolar interactions can improve it. The stationary properties of a monolayer of nanoparticles are then examined by computing ZFC curves with a Monte Carlo method. We observe that structural disorder has no effect on the blocking temperature. Finally, we investigate the behavior of an ensemble of interacting nanoparticles moving in a fluid with a molecular dynamics approach. Our numerical simulations reproduce the usual chain and ring-like equilibrium configurations. We then study the dynamics of these structures and show the existence of super-spin waves.

Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord résolu le problème du chargement aléatoire des pièges, seulement 50 % d’entre eux étant chargés avec un atome. Nous avons développé une technique pour préparer des matrices 2D, puis 3D, d’atomes de 87Rb en les déplaçant un par un avec une pince optique mobile contrôlée par ordinateur. Nous avons ensuite réalisé le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente les atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Après avoir trouvé un régime optimal où l’interaction dipolaire entre deux atomes de Rydberg se réduit à une énergie de van der Waals, nous avons tenté de préparer adiabatiquement l’état de Néel qui minimise l’énergie d’interaction. Nous avons montré que l’efficacité de préparation étaitlimitée par la décohérence induite par les lasers d’excitation. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction, le couplage dipolaire résonant, pour étudier des modèles de spins de type XY, dont le modèle Su-Schrieffer-Heeger, connu pour sa phase fermionique topologique protégée par une symétrie chirale. Ici, nous avons remplacé les fermions par des particules effectives de type `boson de cœur dur’, ce qui modifie les propriétés de cette phase. Nous avons d’abord retrouvé les propriétés à une particule, comme l’existence d’états de bords à énergie nulle. Nous avons ensuite préparé l’état fondamental à N corps pour un remplissage moitié, et observé sa dégénérescence causée par les états de bords, même en présence d’une perturbation qui lèverait cette dégénérescence dans le cas fermionique. Nous avons expliqué ce résultat par l’existence d’une symétrie plus générale, qui protège la phase bosonique. / Single atoms trapped in arrays of optical tweezers and excited to Rydberg states are a promising experimental platform for the quantum simulation of spin models. In this thesis, we first solved a long-standing challenge to this approach caused by the random loading of the traps, with only 50% of them filled with single atoms. We have engineered a robust and easy-to-use method to assemble perfectly filled two-dimensional arrays of 87Rb atoms by moving them one by one with a moveable optical tweezers controlled by computer, a technique further enhanced to trap, image and assemble three-dimensional arrays. We then implemented the quantum Ising model by coherently coupling ground-state atoms to a Rydberg level. After finding experimental parameters where the dipole-dipole interaction takes the ideal form of a van der Waals shift, we performed adiabatic preparation of the Néel state. We showed that the coherence time of our excitation lasers limited the efficiency of this technique. We then used a different type of interaction, a resonant dipolar coupling, to implement XY spin models and notably the Su-Schrieffer-Heeger model, known for its fermionic topological phase protected by the chiral symmetry. Here, we used effective hard-core bosons, which modify the properties of the topological phase. We first recovered known properties at the single particle level, such as the existence of localized zero-energy edge-states. Then, preparing the many-body ground state at half-filling, we observed a surprising robustness of its four-fold degeneracy upon applying a perturbation. This result was explained by the existence of a more general symmetry protecting the bosonic phase.

Les systèmes quantiques à N corps en interaction sont au cœur des problèmes actuels de la recherche en physique quantique. La compréhension de tels systèmes est un enjeu crucial pour le développement des connaissances en physique de la matière condensée. De nombreux efforts de recherche visent à la construction d'un « simulateur quantique » : une plateforme permettant de modéliser, grâce à un système quantique bien contrôlé, un système quantique dont l'accès expérimental est difficile. Les fortes interactions dipolaires entre atomes de Rydberg représentent un objet d'étude choix pour ce type de problème. Nous présentons dans le présent manuscrit une étude des conditions d'excitation d'un nuage dense d'atomes de Rydberg en interaction, permise par le dispositif expérimental dont nous disposons, qui mêle les techniques de piégeage et de refroidissement d’atomes sur puce avec les techniques de manipulation des niveaux de Rydberg. Les résultats de cette étude nous permettent de formuler une proposition expérimentale complète de développement d'un simulateur quantique fondé sur le piégeage d'atomes de Rydberg circulaires. Le simulateur que nous proposons est très prometteur, grâce à sa flexibilité et aux longs temps de simulation qu’il permettrait. Nous terminons ce manuscrit par la description détaillée de la première étape sur le chemin vers ce simulateur : l'excitation d’atomes de Rydberg circulaires sur puce. / Interacting many-body quantum systems are at the heart of contemporary research in quantum physics. The understanding of such systems is crucial to the development of condensed-matter physics. Many research efforts aim at building a "quantum simulator": a platform which allows to model a hard-to-access quantum system with a more controllable one. Ensembles of Rydberg atoms, thanks to their strong dipolar interactions, make for an excellent system to study many-body quantum physics. We present here a study of the excitation of a dense cloud of interacting Rydberg atoms. This study was conducted on an experimental setup mixing on-chip cold atoms techniques with Rydberg atoms manipulation techniques. The result of this study leads us to make a full-fledged proposal for the realisation of a quantum simulator, based on trapped circular Rydberg atoms. The proposed simulator is particularly promising due to its flexibility and to the long simulation times for which it would allow. We conclude this manuscript with a detailed description of the first experimental step towards building such a simulator: the on-chip excitation of circular Rydberg atoms.

Le travail de thèse est consacré à l'étude numérique de nanoparticules (NPs) magnétiques core@shell Fe3O4@CoO présentant des propriétés d'échange bias (EB) en utilisant la méthode Monte Carlo (MC). En particulier, nous nous sommes concentrés sur l'étude de l'effet des réponses collectives (interactions inter-particules telles que les interactions dipolaires (ID)) sur les propriétés magnétiques de ces structures. Des résultats expérimentaux préliminaires, montrant l'existence d'une relation entre le décalage du cycle d'hystérésis et l'interaction entre NPs, ont motivé le travail numérique mené dans le cadre de cette thèse.La première partie de ce mémoire est une étude méthodologique visant à trouver les conditions optimales pour simuler les cycles d'hystérésis d'une façon correcte par MC.Les résultats révèlent une dépendance linéaire entre le champ coercitif Hc et la constante d'anisotropie effective pour des conditions non biaisées (algorithme libre, algorithme du cône, algorithme mixte). La deuxième partie est consacrée à l'étude, à l'échelle atomique, des nanostructures présentant l'EB dont nous avons reproduit les deux caractéristiques (un décalage du cycle d'hystérésis, une augmentation importante de Hc).Nous avons également proposé une méthode permettant l'évaluation de la valeur de l'anisotropie effective.En passant à l'échelle d'une assemblée de NPs, plusieurs modèles furent étudiés. Nous arrivons à interpréter les résultats expérimentaux selon le degré d'agrégation des NPs. Nous montrons que l'agrégation (interactions d'échanges entre les NPs) a un effet direct sur le champ d'échange bias, mais le rôle d'ID sur le champ d'échange mérite des études complémentaires. / This thesis is dedicated to the numerical study by means of Monte Carlo (MC) simulations of core@shell Fe3O4@CoO magnetic nanoparticles (NPs) presenting exchange bias properties (EB). In particular, we focused our study on the effect of collective responses (inter-particle interactions as dipolar interactions (DI)) on the magnetic properties of these structures. Our numerical work is motivated by some preliminary experimental results showing the existence of a relationship between the hysteresis loop shift (exchange bias field) and the interaction between NPs. The first part of this thesis is a methodological study to figure out the optimal conditions to simulate hysteresis loops correctly by MC. The results reveal that the coercive field Hc is linearly related to the effective anisotropy constant for non-biased conditions (free algorithm, cone algorithm, mixed algorithm). The second part is dedicated to the study of exchange-biased nanostructures at the atomic scale. We have been able to reproduce both characteristics of EB (hysteresis loop shift, significant increase in Hc). A method allowing the evaluation of the effective anisotropy has been proposed. Considering an assembly of nanoparticles, several models are studied. The experimental results are interpreted according to the degree of aggregation of NPs. It was shown that the aggregation (exchange interactions between NPs) has a direct effect on the exchange bias field, but the role of the ID on the exchange field requires complimentary calculations to be clarified.