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Le réchauffement climatique par son ampleur et sa complexité, pose plusieurs points d'interrogation sur l'avenir de notre planète. Un des moyens proposés pour ralentir ce processus est la réduction de la production des gaz à effet de serre. Les domaines de la réfrigération essaient de se renouveler pour répondre aux nouvelles normes écologiques et l'une des alternatives les plus prometteuses est la réfrigération magnétique reposant sur l'effet magnétocalorique. Ce mémoire porte sur la recherche de nouveaux matériaux magnétoréfrigérants à large zone de travail et s'inscrit directement dans cet enjeu environnemental et économique qui vise à remplacer les systèmes de réfrigération classiques dans un futur proche. Dans un premier temps, nos travaux de recherche se sont focalisés sur les alliages Gd-Tb : différentes nuances de ces alliages permettraient d'élargir le domaine de travail en température. Leurs propriétés magnétocaloriques ont été déterminées et une première étude sur leur comportement en corrosion a été débutée dans différents fluides caloporteurs. Enfin, l'optimisation de leur mise en forme a été réalisée pour leur emploi dans le prototype de la société Cooltech Applications. Dans un second temps, nous avons étudié des composés monophasés comme les composés dérivant de Mn3GaC ou de Mn3Sn2 qui présentent plusieurs transitions magnétiques successives leurs conférant ainsi une large zone de travail. De nombreuses substitutions ont été réalisées simultanément sur les sites Mn et Sn du composé Mn3Sn2 continuant les travaux menés au sein de l'équipe sur Mn3Sn2 et ses dérivées depuis 2006 / The global warming by its scale and its complexity puts several questions on the future of our planet. One of the ways proposed to slow down this process is the reduction of the production of greenhouse gases. The domains of the refrigeration try to be renewed to answer the new ecological standards and one of the most promising alternatives is the magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect. This report concerns the research of new magnetorefrigerants with large temperature span and joins directly in this environmental and economic stake which aims at replacing the classic systems of refrigeration in a near future. At first, this research works focused on Gd-Tb alloys: various nuances of these alloys would allow to widen the temperature range. Their magnetocaloric properties were determined and a first study on their behavior in corrosion was begun in various coolants. Finally, the optimization of their shaping was realized for their use in the prototype of Cooltech Applications company. Secondly, we studied single-phase compounds as derivatives of Mn3GaC or Mn3Sn2 which present several successive magnetic transitions and thus a large temperature span. A lot of substitutions were simultaneously realized on the Mn and Sn sites of the compound Mn3Sn2 continuing the works led within the team on Mn3Sn2 and its derivatives since 2006

Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du compor-tement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uni-axiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin / The discover of spin-transfer opens a new way to control the magnetization of a nano-magnet using a spin polarized current instead of a magnetic field. Many studies showed that it is particularly efficient in nanopillar spin-valves with perpendicular magnetizations. Therefore, we decided to analyse into more details the impact of a spin polarized current on these devices during this thesisFirst, we were interested in a global approach of the behavior of these systems based on the understanding of their field and current phase diagrams. Comparing our experimental re-sults with various theoretical predictions, we demonstrated that their main features are ex-plained by a breaking of the uniaxial symmetry of the spin-valves due, for instance, to a non-perpendicular anisotropy axis or applied magnetic field. Moreover, we developed a purely energetic description of these devices allowing to understand simply the physical origin of their behavior.Then, we focused on the magnetization reversal process of these nanopillars dominated by a domain nucleation followed by domain wall propagation. We combined for this study the analysis of a thermally activated phenomenon called telegraph noise, of phase diagrams and of micromagnetic simulations. They all lead to the conclusion that the nucleation process is well described by a Stoner-Wohlfarth behaviour whereas the propagation process seems very dependent on the structure of the domain wall especially for the action of the spin-transfer.

L'étude des propriétés structurales et électroniques des séries RMgSn et RMgPb (R = terre rare) a montré que la grande stabilité du type CeScSi est liée aux liaisons fortes T-X et R-X et à une bonne adaptation de la structure à la taille de l'élément R. Ces séries sont les premières isotypes de CeScSi à comportements antiferromagnétiques caractérisés par des structures complexes modulées en amplitude. Les nouveaux composés RTiGeBx (R = Y, Gd-Tm, Lu) cristallisent dans la structure YTiGeCx, une variante partiellement carburée de la structure CeScSi, et présentent une mise en ordre ferromagnétique à haute température localement perturbée par les atomes de bore. Par diffraction neutronique, la mise en ordre antiferromagnétique du sous-réseau de chrome dans le composé type ThCr2Si2 a été observée pour la première fois. UCr2Si2 ne présente quant à lui qu'une mise en ordre antiferromagnétique du sous-réseau d'uranium. Le nouveau carbure UCr2Si2C cristallise dans la structure CeCr2Si2C et présente, à l'inverse des autres RCr2Si2C, un ordre antiferromagnétique du sous-réseau de chrome. Les nouveaux composés RCr3Si2C (R = Y, Gd-Tm, Lu, U) cristallisent dans une nouvelle structure-type de groupe d'espace P6/mmm et de paramètres a ~ 9 Å et c ~ 4 Å. Des calculs de structures électroniques ont permis d'expliquer la stabilité de cette structure. Dans le contexte de la recherche sur la magnétoréfrigération, l'étude des composés R6Mn23 (R = Gd-Tm) a été entreprise. Ils présentent un effet magnétocalorique d'intensité modérée mais s'étendant sur un très large intervalle en température. De nombreuses substitutions montrent que ces caractéristiques peuvent être facilement ajustées. / The structural and electronic properties study of the RMgSn and RMgPb (R = rare-earth) series allowed to show that the great stability of the CeScSi-type is related to strong T X and R-X bonds and to good structure adaptation to the size of the element R. These series represent the first two examples of CeScSi-type compounds with antiferromagnetic behaviors characterized by complex modulated magnetic structures. The new RTiGeBx (R = Y, Gd-Tm, Lu) compounds crystallize in the YTiGeCx-type structure, a partially carbon filled CeScSi-type. They exhibit ferromagnetic ordering at high temperature locally perturbed by the boron atoms. For the first time, neutron diffraction experiments evidenced an antiferromagnetic order of the chromium sublattice in the ThCr2Si2 compound, while UCr2Si2 exhibits only an antiferromagnetic ordering of the uranium sublattice. The new UCr2Si2C compound crystallizes in the CeCr2Si2C-type and presents, on the contrary of the other RCr2Si2C, an antiferromagnetic order of the chromium sublattice. The new RCr3Si2C (R = Y, Gd-Tm, Lu, U) compounds crystallize in the new YCr3Si2C-type structure with the space group P6/mmm and cell parameters a ~ 9 Å et c ~ 4 Å. Electronic structure calculations allowed to explain the structural stability. In the field of the magnetic refrigeration, the study of the R6Mn23 (R = Gd-Tm) compounds has been undertaken. These materials exhibit a moderate magnetocaloric effect over a broad temperature range. Many substitutions showed that these characteristics can be easily adjusted.

Ce mémoire présente une revue sur la croissance d'agrégats de cobalt par condensation en phase gazeuse. Suit une revue des différent mécanismes physiques à l'origine de l'anisotropie magnétique du cobalt, et de leurs manifestations dans des particules nanométriques.

La production des dipôles supraconducteurs de la machine LHC du CERN est terminée en automne 2006. Les aimants fonctionnent à la température cryogénique de 1.9 K et doivent un champ magnétique très uniforme permettant de conduire les protons dans la machine. Le but a été la découverte de défauts de production et d'assemblage qui peuvent limiter les performances des aimants. Dans le travail de thèse les effets de la variation de la géométrie des composantes mécaniques comme les câbles supraconducteurs, les cales et les colliers de soutien des bobines sur l'uniformité du champ magnétique ont été étudiés. Une méthode pratique pour identifier et corriger les problèmes d'usinage a été développée et utilisée dans la phase de production.

L'astrophysique stellaire nécessite aujourd'hui de modéliser les champs magnétiques de grandes échelles, observés par spectropolarimétrie à la surface d'étoiles de type Ap/Bp et pouvant expliquer la rotation uniforme dans la zone radiative solaire déduite de l'héliosismologie. Durant ma thèse, je me suis attaché à décrire les possibles états d'équilibre magnétique dans les intérieurs stellaires. Les configurations trouvées sont mixtes poloïdales-toroïdales et minimisent l'énergie à hélicité donnée, en analogie aux états de Taylor rencontrés dans les sphéromaks. La prise en compte de l'auto-gravité m'a conduit à des équilibres de type « non force-free », qui vont donc influencer la structure stellaire. J'ai dérivé toutes les quantités physiques associées au champ magnétique puis quantifié les perturbations qu'elles induisent sur la gravité, les quantités thermodynamiques et énergétiques, pour une structure solaire et une étoile Ap. Des simulations MHD 3D m'ont permis de démontrer que ces équilibres forment une première famille d'états stables, la généralisation de tels états restant une question ouverte. J'ai montré qu'un champ magnétique dans la zone radiative solaire est susceptible de déformations comparables à une rotation élevée dans le coeur. Son influence sur la convection a aussi été examinée. J'ai également étudié l'interaction séculaire champ magnétique-rotation différentielle-circulation méridienne dans le but d'implémenter ses effets dans un code d'évolution stellaire nouvelle génération. Par ailleurs, les processus hydrodynamiques ont été comparés à ceux de la diffusion et d'un changement de l'efficacité de la convection dans une étoile cible du satellite CoRoT.

Un Palier Magnétique Actif (PMA) est un actionneur agissant à distance sur un mobile grâce à des champs électromagnétiques. Les PMA sont essentiellement utilisés pour positionner sans contact les rotors de machines tournantes avec les avantages suivants : augmentation de la vitesse de rotation au delà des 100 000 tr/m, réduction de maintenance (absence de système de lubrification), et introduction dans des environnements spécifiques (haute température, vide). Le balourd (perturbation due à la non coïncidence entre l'axe géométrique et l'axe d'inertie du rotor) provoque une accélération tournante qui s'applique au centre géométrique et modifie la trajectoire désirée. Ce point n'a quasiment pas été traité en non linéaire. Afin de résoudre ce problème, nous avons proposé une nouvelle modélisation du procédé dans laquelle la perturbation est une partie intrinsèque du modèle (grâce à la formulation lagrangienne). Cette méthode a permis d'obtenir plusieurs modèles : de simulation, d'analyse, de commande. Par la suite, nous avons développé une nouvelle technique permettant de contrôler le balourd pour obtenir une rotation soit autour de l'axe géométrique, soit de l'axe d'inertie pour réduire l'énergie consommée. La maîtrise proposée du balourd passe par l'association d'une commande dans un repère fixe et d'une autre dans un repère tournant à la vitesse du rotor. Ces deux commandes décrivent les accélérations nécessaires pour stabiliser le rotor. A partir de ces dernières, l'application d'une transformation non linéaire permet d'obtenir une commande réelle en courant ou en tension. Cette transformation fait appel, d'une part, à la linéarisation entrée-état associée à la passivité, d'autre part aux modes glissants. La dernière partie est consacrée aux simulations ainsi qu'aux essais réels obtenus sur un banc expérimental que nous avons mis en œuvre au cours de la thèse.

Cette thèse concerne l'étude et la visualisation par imagerie magnéto-optique Kerr à la température ambiante du mode de retournement de l'aimantation au sein de couches minces ferromagnétiques de manganites de composition La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO). Au cours du travail de thèse, un banc d'imagerie a été réalisé et une méthode d'imagerie vectorielle de l'aimantation a été proposée. Ce système d'imagerie a été utilisé pour étudier d'une part l'influence du substrat et des contraintes qu'il induit dans la couche mince et d'autre part l'influence de la forme des échantillons, sur le piégeage et le mode de retournement des domaines magnétiques présents dans la couche mince. Dans le cas du substrat LSAT ((LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7), la compression induite dans la couche mince fait apparaître une composante d'aimantation hors du plan et un plan de facile aimantation sans direction privilégiée dans ce plan. Le retournement des domaines planaires est alors de type cohérent. Dans le cas du substrat STO (SrTiO3), d'orientation (001), l'anisotropie magnétique est biaxiale et le retournement d'aimantation s'opère par nucléation puis propagation de domaines. Dans le cas de substrats vicinaux de STO, l'anisotropie magnétique devient uniaxiale et l'axe de facile aimantation est parallèle aux marches en surface de la couche. Le retournement de domaines se produit par nucléation et propagation dans le cas où le champ magnétique est appliqué parallèlement aux marches du substrat vicinal. Quand le champ magnétique est appliqué perpendiculairement aux marches du substrat vicinal, on assiste à un retournement cohérent des domaines magnétiques. Ces travaux constituent une première étape dans la compréhension et la maîtrise du comportement magnétique de dispositifs spintroniques.

Les nanoparticules (NPs) métalliques possèdent des propriétés physiques inhabituelles et suscitent un grand intérêt pour divers domaines d’application. En particulier, les NPs de métaux magnétiques offrent de nombreux avantages dans une grande variété d’applications technologiques, médicales et en catalyse. Généralement, ces applications nécessitent de fabriquer des NPs de taille et de composition contrôlées. Cette thèse vise à démontrer que de telles NPs peuvent être obtenues par décomposition de précurseurs organométalliques (OM) dans des solvants d’un genre particulier, les liquides ioniques (LIs). Ce sont des sels possédant un très bas point de fusion (inférieur à 100°C) et qui possèdent des propriétés uniques, dont celle de stabiliser des nano-objets. Pour y parvenir, des précurseurs OM des métaux d’intérêt (Co et Fe) ont été identifiés. Des Co-NPs ont pu être synthétisées de manière contrôlée : elles possèdent une structure cristalline du e-Co et les propriétés superparamagnétiques attendues pour le Co(0). Dans le cas du Fe, une oxydation partielle des NPs n’a pu être évitée. La seconde partie du travail s’est donc concentrée sur l’obtention de NPs bimétalliques CoM, avec M=Ru ou Pt. Dans le cas de Ru, toutes les synthèses ont conduit à des NPs bimétalliques, tandis que seule une décomposition simultanée des deux précurseurs de Co et Pt a permis de former des CoPt-NPs. Ces NPs pourraient permettre de fabriquer des dispositifs de stockage de données plus performants ou des catalyseurs moins onéreux / Metallic nanoparticles (NPs) exhibit unique physical and chemical properties. However, their use is conditioned by the ability to control their size and structure. The decomposition of organometallic (OM) precursors under H2 is efficient to generate metallic NPs in organic solvents, but also in ionic liquids (ILs). We have shown that in the latter media, the size can be finely tuned without adding stabilizing agents. Moreover, the resulting “naked” metallic NPs are suitable for catalysis or further reaction with a second OM precursor to form bimetallic NPs.In this work, we applied this knowledge to the synthesis of mono- and bimetallic NPs in imidazolium-based ILs C1CaImNTf2. CoNPs with a diameter of ca. 4 nm were successfully synthesized by decomposition of [Co(?3-C8H13)(?4-C8H12)] under H2. Structural analysis and magnetic characterizations demonstrated that these NPs are metallic and, as expected for this size, superparamagnetic. This approach was extended to the synthesis of bimetallic CoPt and CoRu NPs. It turned out that the best strategy is probably to simultaneously decompose the Co and Pt (or Ru) precursors. This reaction provides monodisperse suspensions of NPs, a good indication that they are bimetallic. Further structural characterizations, in particular using anomalous SAXS, are also considered to elucidate their structure