Parmi les méthodes de la théorie du groupe de renormalisation, les développements en epsilon sont basés sur des calculs dans l'espace réciproque et permettent de calculer les exposants critiques associés aux transitions magnétiques du second ordre pour des valeurs non entières de la dimension d'espace. Une interprétation physique naturelle consiste à se demander comment se comporte un système de spins en interaction dans un espace de dimension fractale. Or les structures fractales sont construites par itération d'une cellule génératrice dont les détails sont donc présents à plusieurs échelles ; la question qui se pose alors est de savoir ce qui se passe lorsque l'invariance par translation est remplacée par une invariance d'échelle géométrique. La convergence vers la limite thermodynamique se produit en même temps que le processus d'itération construit la structure. De ce fait, des simulations Monte Carlo fiables de ces transitions de phase n'ont pu être menées à bien que récemment, puisqu'elles nécessitent la simulation de très grandes tailles, lesquelles varient comme des séries géométriques avec l'étape d'itération. C'est en utilisant des algorithmes non locaux dits “d'amas” (Wolff, Swendsen-Wang), capables de réduire le ralentissement critique de manière significative, et des méthodes d'histogrammes pour traiter les données des simulationsMonte-Carlo que j'ai tout d'abord réalisé ces études. Il s'avère que le calcul précis des exposants critiques est rendu encore plus difficile par le fait que l'analyse en tailles finies du modèle d'Ising souffre de corrections d'échelle qui peuvent affecter fortement le comportement de certaines grandeurs thermodynamiques, en particulier lorsque la dimension fractale tend vers 1. J'ai montré que ces corrections d'échelle sont en partie liées à la très forte inhomogénéité du réseau sous jacent (due à l'existence de trous sur plusieurs ordres de grandeurs) et à la concomitance de la construction du fractal avec la convergence vers la limite thermodynamique. Les résultats que j'ai obtenus pour les exposants critiques, ou leurs bornes, sont toujours compatibles avec la relation d'hyperscaling dans laquelle on substitue la dimension de Hausdorff à la dimension d'espace. Le comportement critique en dimension non entière se décrit dans le cadre de l'universalité faible. Cela se manifeste par un désaccord net entre les exposants que j'ai obtenus par les méthodes Monte Carlo et les développements en epsilon. Les exposants critiques ne dépendent pas seulement de la dimension d'espace, des propriétés de symétrie du paramètre d'ordre et de la portée des interactions, mais aussi des propriétés géométriques de la structure fractale : Très récemment des calculs précis d'exposants critiques m'ont permis de montrer que des classes d'universalité différentes sont en général nécessaires pour décrire le comportement du modèle d'Ising sur des fractals de même dimension et de lacunarités différentes. Un tel résultat généralise le concept d'universalité faible proposé par Masuo Suzuki. L'hypothèse d'homogénéité qui sous-tend les lois d'échelle permettant de décrire un comportement critique se dérive par renormalisation. La procédure de renormalisation dans l'espace direct est naturelle dans les fractals, puisqu'elle suit exactement le processus inverse de construction de la structure. Avec mon étudiant Pai-Yi Hsiao, nous avons mené à bien l'étude du modèle d'Ising par une méthode de renormalisation Monte-Carlo sur une structure fractale de dimension voisine de 1, 89 ; il s'avère que l'exposant associé à l'une des directions propres peut être calculé avec une très bonne précision et est en accord avec les résultats de l'analyse en tailles finies. En revanche, la convergence est très lente dans l'autre direction, ce qui est lié aux corrections d'échelle mises en évidence lors de cette analyse. La cinétique stochastique associée à la formation des amas construits par l'algorithme de Wolff sous tend la compréhension du phénomène de ralentissement critique. J'ai montré que les distributions des tailles des amas de Wolff ont une propriété d'homogénéité qui fait intervenir l'un des exposants associé à une des directions propres du processus de renormalisation. Par ailleurs, les distributions des tensions de surface des amas vérifient une propriété analogue dans laquelle intervient un nouvel exposant critique. L'étude des fonctions d'autocorrélation m'a permis de calculer précisément les exposants dynamiques de Wolff lorsque la température critique est connue, et d'éclaircir l'évolution du ralentissement critique avec la dimension et la connectivité. Dans le cas de systèmes invariants par translation, l'ordre de la transition ferromagnétique du modèle de Potts est lié au nombre d'états de spin ; le passage du premier au second ordre est attendu pour des dimensions non entières. Par ailleurs, la présence de désordre peut, dans certaines conditions, induire une transition du second ordre à partir d'un système qui en présente une du premier. L'étude du comportement critique du modèle de Potts sur des fractals est donc particulièrement intéressante, puisque deux des paramètres qui le déterminent (dimensionnalité et désordre structurel) sont liés. Avec mon étudiant Pai-Yi Hsiao, nous avons montré que la transition associée au modèle de Potts à trois états sur une structure fractale de dimension voisine de 1, 89 est du second ordre. Les difficultés attendues lorsqu'on augmente le nombre d'états de spins se font déjà nettement sentir : Les corrections d'échelle empêchent de calculer la température critique avec une très bonne précision. Nous n'avons donc pu donner que des bornes pour certains exposants ; nous avons cependant clairement mis en évidence la différence entre les classes d'universalité de Potts à 2 et 3 états. L'étude de la percolation en dimension non entière est liée à la fois à celle du modèle de Potts et aux algorithmes d'amas. Elle est basée sur l'étude des moments de la distribution de taille des amas, ce qui nécessite la localisation de pics en fonction de la probabilité d'occupation. J'ai pu montrer que les corrections d'échelle n'affectent pratiquement pas le comportement des pics avec la taille des structures, et proposé de les interpréter en termes de "seuil effectif".

Cette thèse a le but d'introduire le concept de l'inertie dans la dynamique dissipative du macrospin. En suivant le travail de T. L. Gilbert dans cette direction, une masse est associée au macrospin, qui n'est pas liée au mouvement d'une masse réelle, mais à l'inertie du macrospin. Comme conséquence, une forme généralisée de l'équation dynamique du Gilbert tenant compte de l'inertie du macrospin est obtenue. A l'échelle d'une nanostructure ferromagnétique, les fluctuations sont relevantes. Le macrospin suit un mouvement Brownien dans l'espace de configuration correspondant (une sphère de rayon Ms). Pour faire une description de la dynamique du macrospin, une simple, rigoureuse et nouvelle théorie, celle de la thermodynamique mésoscopique hors équilibre est utilisée comme alternative au formalisme des processus stochastiques utilisé par W. F. Brown Jr. L'état de l'aimantation est décrit par un nombre de degrés de liberté qui influencent la dynamique du système : l'orientation m de l'aimantation décrite par les angles (θ, φ) et la vitesse u = dm/dt , ou le moment cinétique L. Une fonction de distribution f est introduite liée à la probabilité de trouver l'aimantation dans un état particulier (m, u) ou (m,L). La combination de la définition statistique de l'entropie comme une fonction de la probabilité, avec la méthodologie systèmatique de la thermodynamique hors equilibre résulte dans une théorie puissante décrivant pas seulement la dynamique moyennée du macrospin, mais aussi les fluctuations autour de la moyenne. Donc, une équation généralisée dynamique de Gilbert et une équation généralisée stochastique de Brown sont obtenues avec la théorie MNET. Un temps de relaxation est défini dépendent de l'inertie et du coefficient de dissipation du macrospin. Le comportement de l'aimantation impose deux régimes : un régime inertiel ou des temps courts t << τ , et le régime de diffusion ou des temps longs t >> τ . Un nouveau phénomène, la nutation, est prédite dans le régime inertiel, tandis que l'équation dynamique de Gilbert et l'équation stochastique de Brown sont obtenues aux temps longs. De plus, la question sur l'application de MNET dans le domaine de la spintronique est posée dans le contexte du spin transfer. Un modèle à deux fluides en rotation est présenté pour les spins s des électrons de conduction et les spins d des électrons constituant l'aimantation. Le modèle est intéressant proche de la interface normal-ferromagnet où se trouve accumulation de spin.

<p>We consider a system of few electrons trapped in a two-dimensional circularquantum dot with harmonic confinement and in the presence of ahomogeneous magnetic field, with focus on the role of e-e interaction. Byperforming the exact diagonalization of the Hamiltonian in second quantization,the low-lying energy levels for spin polarized system are obtained. The singlet-triplet oscillation in the ground state of the two-electron system showing up inthe result is explained due to the role of Coulomb interaction. The splitting ofthe lowest Landau level is another effect of the e-e interaction, which is alsoobserved in the results.</p>

We consider a system of few electrons trapped in a two-dimensional circularquantum dot with harmonic confinement and in the presence of ahomogeneous magnetic field, with focus on the role of e-e interaction. Byperforming the exact diagonalization of the Hamiltonian in second quantization,the low-lying energy levels for spin polarized system are obtained. The singlet-triplet oscillation in the ground state of the two-electron system showing up inthe result is explained due to the role of Coulomb interaction. The splitting ofthe lowest Landau level is another effect of the e-e interaction, which is alsoobserved in the results.

Dans une première partie, nous développons la théorie analytique des effets de Haas-van Alphen (oscillations d'aimantation) et Shubnikov-de Haas (oscillations de magnétorésistance) dans les systèmes électroniques quasi-bidimensionnels, qui sont constitués de couches très bonnes conductrices avec une faible dispersion des quasi-particules entre les plans. Nous montrons que l'application d'un champ magnétique perpendiculairement aux couches a pour effet de réduire la dimensionnalité apparente du système. A fort champ magnétique, le comportement des oscillations d'aimantation est proche de celui d'un gaz d'électrons bidimensionnel. Nous étudions en détail l'influence des oscillations du potentiel chimique sur la forme des oscillations de Haas-van Alphen en présence d'une ou de plusieurs bandes d'états au niveau de Fermi. Nous dérivons également une expression pour les oscillations d'aimantation dans l'état mixte supraconducteur. Nous calculons enfin les oscillations de la magnétorésistance longitudinale dans le cadre de la théorie du transport quantique pour un modèle d'impuretés ponctuelles. A fort champ magnétique nous trouvons des oscillations géantes avec un comportement thermiquement activé des maxima de résistance.<br /><br />Dans une deuxième partie, nous étudions les propriétés de l'état mixte dans le supraconducteur non-conventionnel UPt3 pour un champ magnétique parallèle à l'axe hexagonal du cristal principalement dans le cadre des modèles théoriques d'un état supraconducteur à deux composantes couplé avec un champ briseur de symétrie. Nous examinons la structure du réseau de vortex dans la phase A de UPt3 à partir de considérations de symétrie et de l'approximation locale de London, et montrons que seul l'état supraconducteur de symétrie E2u peut rendre compte des observations expérimentales. Nous mettons également en évidence que la transition entre les phases mixtes A et B est plutôt un crossover qu'une transition de phase du second ordre à cause de la présence de termes de gradients de mélange dans l'expression de l'énergie libre de Ginzburg-Landau. Enfin, nous démontrons que la dépendance de la pente du second champ critique au niveau de la température critique en fonction du taux d'impuretés n'est pas sensible à la symétrie de l'état supraconducteur.

La tendance actuelle dans le domaine des télécommunications mène à des systèmes capables de fonctionner selon plusieurs standards, et donc plusieurs fréquences porteuses. La synthèse de la fréquence porteuse est un élément clef, dont les propriétés reposent essentiellement sur les performances de l'oscillateur employé. Pour assurer le fonctionnement de systèmes compatibles avec plusieurs standards de télécommunication, la solution conventionnelle consiste à intégrer plusieurs oscillateurs locaux. Cette solution est coûteuse, d'autant plus que, malgré le fait que les technologies actuelles atteignent des niveaux d'intégration très importants, la surface occupée par des oscillateurs traditionnels de type LC ne peut pas être diminuée, alors que le coût de fabrication au millimètre carré devient de plus en plus élevé. Il serait donc très intéressant de remplacer les oscillateurs LC, ce qui nous amène à rechercher des solutions alternatives parmi de nouvelles technologies. L'oscillateur spintronique (STO) est un nouveau dispositif issu des études sur les couches minces magnétiques. Il apparait comme un candidat potentiel de remplacement des oscillateurs LC du fait de sa grande accordabilité en fréquence et de son faible encombrement. Toutefois des mesures effectuées sur les STOs ont montré que la performance en puissance et en bruit de phase d'un oscillateur seul ne permet pas de remplir les spécifications pour des applications de télécommunication. Nous proposons de remplir ces spécifications en couplant un nombre d'oscillateurs spintroniques important. Dans ce cadre se posent plusieurs questions qui concernent les procédures de modélisation, d'analyse et de synthèse des systèmes interconnectés. Les procédures de modélisation incluent la démarche de recherche de modèles à complexité croissante qui décrivent les propriétés entrée-sortie d'un oscillateur spintronique, ainsi que la démarche de généralisation des modèles des oscillateurs dans le cadre du réseau. Les procédures d'analyse cherchent à vérifier la stabilité et évaluer la performance des systèmes interconnectés. Les procédures de synthèse permettent de concevoir des interconnexions sophistiquées pour les oscillateurs afin d'assurer toutes les spécifications du cahier des charges. Dans ce document, nous établissons tout d'abord le problème de la synthèse de fréquence par couplage avec un cahier des charges formalisé en termes de gabarits fréquentiels sur des densités spectrales de puissance. Le cahier des charges posé amène la nécessité de modéliser l'oscillateur spintronique pour pouvoir simuler et analyser son comportement. Ici, nous proposons une modélisation originale selon des degrés de complexité croissante. Ensuite, nous discutons de la structure de la commande de l'ensemble des oscillateurs afin de remplir les spécifications du cahier des charges. La structure de commande proposée nécessite de développer une méthode de conception des interconnexions du réseau d'après les critères de performance. Dans les deux derniers chapitres, nous proposons deux méthodes fréquentielles de synthèse originales pour résoudre le problème de synthèse de fréquence par couplage. La première méthode de synthèse permet de prendre en compte un critère mathématique du cahier des charges, qui correspond à un gabarit fréquentiel à respecter, et permet d'obtenir une matrice d'interconnexion des sous-systèmes, telle que le module de la réponse fréquentielle du réseau approxime le gabarit imposé par le cahier des charges. La deuxième méthode de synthèse permet de prendre en compte plusieurs gabarits fréquentiels à la fois. La solution obtenue est une matrice d'interconnexion des sous-systèmes, qui résout le problème de la synthèse de fréquence par couplage d'oscillateurs spintroniques.

Nous présentons l'étude de la diffraction en incidence rasante d'atomes de rubidium froids sur une onde évanescente. Cette étude a été effectuée en incidence normale, en utilisant une onde évanescente périodique glissante pour simuler l'incidence oblique. En s'appuyant sur un modèle non scalaire utilisant des transitions Raman stimulées entre sous-niveaux Zeeman de l'atome, nous avons expliqué le signe et le nombre des ordres de diffraction observés. Les rôles primordiaux de la polarisation des composantes de l'onde évanescente et de l'état interne initial de l'atome ont également été montrés. De plus, l'étude de l'efficacité de diffraction a révélé une modulation que nous interprétons comme le résultat d'interférences entre plusieurs trajectoires atomiques dans l'onde évanescente. Les calculs utilisant le modèle semi-classique de Landau-Zener (à 2 ou 3 niveaux) ou la résolution numérique de l'équation de Schrödinger (à 2, 3 ou 5 niveaux) ont permis de confirmer la phase et la période des oscillations obtenues, et en particulier leur grande sensibilité à l'interaction de van der Waals entre l'atome et la paroi diélectrique. Nous présentons par ailleurs l'étude d'un miroir pour atomes paramagnétiques constitué d'un réseau de fils parcourus par un courant. La hauteur du potentiel réflecteur associé au champ magnétique du miroir a été mesurée en fonction de l'état interne de l'atome. De plus, en mesurant la distribution angulaire des atomes après rebond, le caractère non-spéculaire de la réflexion a été mis en évidence et interprété par une rugosité du miroir. L'influence de la parité du nombre de fils sur cette rugosité a été démontrée ainsi que celle de la direction du champ magnétique directeur. Cette rugosité a pu être réduite grâce à l'utilisation de fils de compensation.

In this master work, we investigated the feasibility of a magnetic resonance measurement technique using magnetic nanoparticle dispersions in both liquid and solid form. The implementation is realised as a coplanar waveguide operating in the frequency range of 0.5 - 20 GHz and an electromagnet producing a static magnetic field of strength up to 1.2 T. The Gilbert magnetic damping factor is determined for polymer composites of magnetic nanoparticles and the gyromagnetic ratio is determined for both nanoparticle dispersions in liquid form and polymer composites.

This dissertation presents a substantial contribution to a new field of material science, the investigation of the magnetic properties of 3D curved surfaces, achieved by using a self-assembled geometrical transformation of an initially planar membrane. Essential magnetic properties of thin films can be modified by the process of transforming them from a 2D planar film to a 3D curved surface. By investigating and controlling the reasons that influence the properties, it is possible to improve the functionality of existing devices in addition to laying the foundation for the future development of microelectronic devices based on curved magnetic structures. To accomplish this, it is necessary both to fabricate high-quality 3D curved objects and to establish reliable characterization methods based on commonly available technology. The primary objective of this dissertation is to develop techniques for characterizing the static and dynamic magnetic properties of self-assembled rolled 3D geometries. The second objective is to examine the origin of shape-, size- and strain/curvature-induced effects. The developed approach based on anisotropic magnetoresistance (AMR) measurement can quantitatively define the rolling-induced static magnetic changes, namely the induced magnetoelastic anisotropy, thus eliminating the need for microscopic imaging to characterize the structures. The interpretation of the AMR signal obtained on curved stripes is enabled by simultaneous visualization of the domain patterns and micromagnetic simulations. The developed approach is used to examine the effect of sign and magnitude of curvature on the induced anisotropies by altering the rolling direction and diameter of the 'Swiss-roll'. Furthermore, a time-averaged imaging technique based on conventional microscopies (magnetic force microscopy and Kerr microscopy) offers a novel strategy for investigating nanoscale periodic domain wall oscillations and hence dynamic magnetic characteristics of flat and curved structures. This method exploits the benefit of a position-dependent dwell time of periodically oscillating DWs and can determine the trajectory and amplitude of DW oscillation with sub-100 nm resolution. The uniqueness of this technique resides in the ease of the imaging procedure, unlike other DW dynamics imaging methods. The combined understanding of rolling-induced anisotropy and imaging DW oscillation is utilized to examine the dependence of DW dynamics on external stimuli and the structure's physical properties, such as lateral size, film thickness, and curvature-induced anisotropy. The presented methods and fundamental studies help to comprehend the rapidly expanding field of 3-dimensional nanomagnetism and advance high-performance magneto-electronic devices based on self-assembly rolling.

Semicrystalline polymers are an important class of materials for their prevalence in today's markets and their desirable properties. These properties depend on the early stages of the polymer crystallization process where a crystal nucleates from the polymer melt. This nucleation process is conventionally understood via an extension of Classical Nucleation Theory to polymers (CNTP). However, recent experimental and simulation evidence points to nucleation mechanisms that do not agree with the predictions of CNTP. Specifically, these experiments suggest a previously unrecognized role of nematic phases in mediating the melt"“crystal transtion. To explain these observations, several new theories of nucleation alternate to CNTP have emerged in the literature, all of which suggest specific modifications to the free energy landscape (FEL) near-equilibrium. To address these theoretical controversies, this dissertation aimed to study the equilibrium phase behavior of polymers via Monte Carlo (MC) simulations. Simulating equilibrium phase behavior of polymer melts is not a trivial task due to the large free energy barriers involved. Throughout this research, we employed a combination of strategies to speed up these molecular simulations. First, we employed a domain decomposition to divide the simulation box into multiple independent simulations that execute independent MC trajectories in parallel. The novel GPU-accelerated MC algorithm successfully and accurately simulated the phase behavior of bead spring chains. Additionally, it sped up MC simulations of Lennard Jones chains by up to 10 times. In its current form, the GPU-accelerated algorithm did not achieve significant speedups to improve outcomes of simulating large polymer melts with detailed potentials. We recommended various strategies to improving the current algorithm. This reality motivated the use of biased MC simulations to study the phase behavior of polymers more expediently without the need for GPU acceleration. Specifically, the latter part of the Dissertation employed Wang Landau MC (WLMC) simulations to build phase diagrams and expanded ensemble density of states (EXEDOS) simulations to construct FELs. Phase diagrams from WLMC simulations divided volume-temperature space into melt, nematic and crystal phases. Then, FELs from EXEDOS simulations at equilibrium provided direct access to the relative stability and minimum free energy paths between coexistant states. By employing a two-dimensional EXEDOS sampling in both crystal and nematic order for hard bead semiflexible oligomers with a stepwise bending stiffness, we built FELs that show that the crystalline transition cooperatively and simultaneously formed crystal and nematic order. This nucleation mechanism was not in agreement with predictions from CNTP or newer theoretical formulations. To investigate the sensitivity of the phase behavior to the employed polymer model, we then employed WLMC simulations to build phase diagrams for a number of different polymer models to ascertain their impact on the resulting nucleation mechanism. We found that the phase behavior was sensitive to the form of the bending stiffness potential used. Chains with a stepwise bending stiffness yielded the previously mentioned cooperative and simultaneous crystal and nematic ordering. In contrast, chains with a harmonic bending stiffness potential crystallized via a two-step nucleation process, first forming a nematic phase that nucleates the crystal. The latter nucleation mechanism was in line with predictions from new theories of nucleation that incorporate the nematic phase as a precursor. Furthermore, we found that it is important to correct for excluded volume differences when comparing chains with soft and hard beads or chains with differing bending stiffnesses.