L'échange multiple décrit de manière effective les propriétés magnétiques d'un système de fermions quasiment localisés. Nous considérons ce modèle pour des spins 1/2 sur le réseau triangulaire avec des processus à 2, 3, 4, 5 et 6 particules. Cet hamiltonien est aujourd'hui reconnu comme étant un bon candidat pour décrire le magnétisme nucléaire des films d'3He solide adsorbés sur du graphite. Nous l'étudions par diagonalisations exactes sur des échantillons jusqu'à 36 sites. Dans un large domaine de paramètres, l'analyse des effets de taille finie sur les énergies propres, la structure des spectres et les fonctions de corrélation amènent à conclure que les fluctuations quantiques détruisent l'ordre magnétique à température nulle. L'état fondamental est caractérisé par une longueur de corrélation finie, c'est un liquide de spins où les excitations magnétiques possèdent un gap. Nous calculons la chaleur spécifique et trouvons une entropie importante à basse température, en accord avec les mesures expérimentales. La réponse à un champ extérieur révèle un plateau d'aimantation à M/M(sat)=1/2. Nous discutons les conditions d'apparition d'un tel plateau et les comparons avec les situations, mieux comprises, de la dimension un ainsi que celle de spins classiques. Pour le plus grand système étudié (36 sites), le fondamental possède une quasi-dégénérescence quatre. Cette dégénérescence ne s'explique pas par une brisure spontanée de symétrie mais elle conduit à une interprétation topologique. Nous suggérons une image de ``resonating valence-bond'' (RVB) à courte portée pour la fonction d'onde du fondamental et discutons du lien éventuel avec la phase de HALDANE et les états de type ``valence-bond solid''. Le modèle d'échange multiple sur le réseau triangulaire semble un des tous premiers exemples d'hamiltonien bidimensionnel de spins 1/2 dont le fondamental ne brise aucune de symétrie à température nulle.

L'utilisation de la minéralogie magnétique en tant que marqueur des changements environnementaux dans les tourbières a été envisagé dès 1986 (Richardson, 1986) mais n'a pas été réellement prise au sérieux jusque très récemment (Hutchinson and Armitage, 2009; Mighall et al., 2009). Notre étude se proposait d'abord de déterminer quelles techniques sont les plus adaptées à des mesures sur tourbe (acquisition progressive d'ARI et ARA associées à leurs désaimantations AF) et comment les mettre en place afin de garantir la qualité des mesures malgré les nombreuses contraintes : faiblesse du signal, évolution temporelle de la minéralogie, caractère meuble et instable des dépôts. Le protocole d'étude de la minéralogie magnétique a ensuite été appliqué à trois carottes prélevées dans le marais de la Trézence (Charente-Maritime, France) en parallèle d'analyses géochimiques à même de retracer l'histoire environnementale du site (analyse élémentaire, isotopes du plomb, rapport C/N,datations radiocarbones). A la confrontation des résultats, il apparaît qu'une partie des variations de minéralogie magnétique correspond aux indications environnementales apportées par les paramètres géochimiques. Les autres variations mises en exergues peuvent être interprétées en termes d'indicateurs de processus pédologiques non observable avec les paramètres géochimiques étudiés.

Ce travail résume une partie de mes activités consacrées au magnétisme en couche mince et aux microsystèmes. Il concerne ici plus spécifiquement le développement de matériaux ferromagnétiques hautement perméables dont l'un des enjeux actuels est de dépasser l'incompatibilité historique avec les hyperfréquences. La bande spectrale d'intérêt s'est considérablement étirée vers le haut jusqu'à annoncer des besoins pour une perméabilité élevée à plus de 10 GHz aujourd'hui. Je décris des résultats dans un ordre quasi chronologique avec une progression dans le niveau de difficulté qui colle à l'évolution des applications (depuis les têtes magnétiques jusqu'aux antennes microondes). Je mets en avant une démarche systématique de boucles courtes entre la physique de la matière et celle des dispositifs. Le fil directeur est la montée spectaculaire en fréquence qui tire l'effort de développement des matériaux selon une feuille de route combinant aimantation élevée (2 T) et grande résistivité (103 μW.cm), avec le préalable incontournable au caractère doux sur lequel je reviendrai. Je montre aussi que les résultats à l'état de l'art arrivent en butée si l'on ne sort pas de la démarche historique de films d'alliage unique (ternaire, quaternaire et plus). Cette rupture sera établie avec le passage aux films issus d'hétérostructures comme avec le couplage d'échange interfacial entre un simple composé ferromagnétique binaire (dont l'aimantation est plus facilement proche de la valeur ultime) et une couche antiferromagnétique. Je reviendrai sur des résultats particulièrement originaux ici et sur leur interprétation. Pour terminer, je projetterai des perspectives allant vers une hétérogénéité croissante des matériaux selon ce principe. Dès lors, un objectif très ambitieux se dessine visant à réunir ferromagnétisme et ferroélectricité grâce aux couches minces et remettant au goût du jour les principes de la magnétoélectricité. C'est une évolution clé vers la miniaturisation extrême des éléments rayonnants (antennes) et résonnants (filtre) et la très grande agilité des systèmes. Je conclurai en ce sens avec une sélection de faits marquants récents qui illustrent également la jonction avec des disciplines émergentes comme celles des composés multiferroïques et des metamatériaux, avec des solutions très avantageuses ici.

Ce travail de thèse porte sur l'anisotropie d'échange dans les agrégats nanométriques de cobaltet d'alliage nickel-cuivre de 4-5 nm déposés sur des couches antiferromagnétiques CoO (111). Les agrégats étudiés sont élaborés par pulvérisation magnétron et condensation de vapeur d'atomes. La croissance de couchesde CoO (111) sur substrat saphir est réalisée par pulvérisation réactive. Des mesures sur particules uniques sont effectuées en utilisant la magnétométrie à μSQUID: Les développements récents de cette technique nous ont permis de réaliser pour la première fois des mesures de cycles d'aimantation sur particules uniques de quelquesnanomètres. Les propriétés magnétiques intrinsèques des agrégats sont d'abord étudiées. Les agrégats de cobalt ont un magnétisme de Stoner-Wohlfarth et présentent l'aimantation spécifique du massif. La première étude expérimentaledu magnétisme d'agrégats nanométriques nickel-cuivre couvrant l'ensemble des compositions ferromagnétiques est présentée. Ces particules ont une aimantation spécifique plus faible que dans l'alliage massif, ce qui pourrait être attribué d'une part à leur structure icosaédrique et d'autre part à l'influence de l'environnement local des atomes de surface. Des mesures de diffraction de rayons X 'haute résolution' sur les couchesCoO (111) déposées sur Al2O3 (0001) mettent en évidence la croissance en épitaxie dans la direction [111], une grande longueur de cohérence du réseau cristallin ainsi qu'une anisotropie structurale et morphologique, en partie liée à un miscut du substrat. Le couplage d'échange est étudié sur une assemblée de particules ainsi que sur particules uniques. Les résultats obtenus montrent que l'AF ne reste pas rigide, du fait d'un fort couplage avec une configuration detype 'spin-flop'. Une direction particulière de décalage d'échange est mise en évidence avec une état bistable dans l'AF lorsque le système est refroidi à champ nul.

Cette thèse présente les différentes sources de champ magnétique dans un véhicule automobile à moteur thermique. Le but de ce travail est d'exploiter la mesure du champ magnétique dans une automobile afin d'extraire des données utiles pour caractériser le fonctionnement ou le dysfonctionnement des éléments du véhicule. Les expérimentations que nous avons conduites nous ont permis de mesurer, identifier, caractériser et modéliser les différentes sources de champ magnétique en automobile. Les circuits électriques, l'alternateur électrique, mais également le déplacement des pièces ferromagnétiques engendrent des champs d'induction. Toutes ces sources se mélangent sur le réseau de capteurs magnétiques installé dans le véhicule. Nous avons mis en œuvre des algorithmes de séparation de sources et de soustraction de bruit permettant de récupérer les signaux utiles pour la surveillance. L'analyse vibratoire déjà utilisée pour le diagnostic des automobiles permet d'étudier les accélérations et chocs des éléments à surveiller. L'analyse magnétique que nous présentons ici permet d'étudier d'autres caractéristiques comme le déplacement de ces pièces ou les courants électriques présents dans le système. Nous montrons que les mesures magnétiques, sont un nouvel outil de diagnostic qui peut être utilisé pour le contrôle automobile, en complément de l'analyse vibratoire. Diverses applications industrielles potentielles utilisant des capteurs à bas coût, sur le contrôle des roues, du moteur et des feux électriques sont développées. Enfin, nous ouvrons une réflexion sur la généralisation de ces résultats aux véhicules électriques en présentant les problématiques et les besoins spécifiques en particulier dans l'étude du comportement magnétique des accumulateurs électriques utilisés pour stocker l'énergie.

Ce travail de thèse concerne à la fois la modélisation des processus magnétohydrodynamiques dans les étoiles et l'obtention de contraintes observationnelles sur ces processus. Une partie importante du mémoire est consacrée à l'étude des effets de la rotation sur les modes propres d'oscillation des étoiles. La méconnaissance de ces effets est depuis longtemps identifiée comme l'un des principaux obstacles à l'interprétation des fréquences d'oscillations observées dans les étoiles massives et de masse intermédiaire. Je décris ici la mise au point d'un code d'oscillation tenant compte des effets de la rotation, l'exploration des nouvelles propriétés des modes au moyen de ce code, l'interprétation de ces propriétés dans le cadre d'une théorie asymptotique et comment elles peuvent être utilisées pour interpréter les spectres de fréquences observés. Pour construire la théorie asymptotique, j'ai été amené à m'intéresser au chaos quantique (ou chaos d'onde), une thématique qui est issue de l'étude des propriétés semi-classiques des systèmes quantiques mais qui concerne en fait la physique des ondes en général. La deuxième thématique concerne le magnétisme des étoiles de masse intermédiaire (de type B tardif et de type A) de la séquence principale. C'est un sujet relié mais distinct de celui de ma thèse de doctorat qui était consacré à la modélisation de l'évolution du moment cinétique de ces étoiles dans leur phase pré-séquence-principale. Il s'agit ici d'observations spectropolarimétriques qui renouvellent assez largement notre vision du magnétisme de ces étoiles. D'abord, la mise en évidence d'une limite inférieure à l'intensité du champ des étoiles Ap/Bp a permis de proposer un nouveau scénario pour expliquer l'origine de cette classe d'étoiles, la seule classe d'étoiles magnétiques connue jusqu'alors dans ce domaine du diagramme HR. Puis, la découverte d'un champ magnétique de très faible amplitude à la surface de Véga a montré l'existence d'un nouveau type de magnétisme dans ce domaine. La troisième thématique concerne l'étude des mouvements turbulents dans les intérieurs stellaires, d'une part la modélisation de leur contribution au transport des éléments chimiques dans les zones radiatives d'étoile et d'autre part l'origine des structures cohérentes de la convection turbulente observées à la surface du Soleil.

L'ultra-miniaturisation en RF bute sur le paradigme historique du magnétisme : la trop grande conductivité des métaux de transition (Fe, Co, Ni) et de leurs alliages présentant par ailleurs les plus fortes perméabilités. A l'opposé, leurs oxydes (ferrites) sont bien isolants mais leurs propriétés à haute fréquence sont drastiquement plus faibles. Dans ce contexte, l'idée de matériaux magnétiques artificiels à base de polymère encapsulant des nanoparticules magnétiques métalliques se pose en alternative. Dans cette thèse, deux formulations de ce type encore peu développé de nanocomposites ont été réalisées, l'une à base de cobalt/polystyrène, l'autre à base de nickel/polystyrène. La grande originalité de ce travail porte sur une structure « cœur-double coquille », constituée de prime abord par la nanoparticule métallique pour le cœur, garantissant des propriétés magnétiques élevées. La première coquille est constituée de graphène (quelques nanomètres) jouant un double rôle : assurer une protection efficace et durable du cœur contre l'oxydation et servir de plateforme de fonctionnalisation chimique pour la deuxième coquille. La deuxième coquille est une couche ultra-fine de polystyrène dont le rôle est d'assurer à son tour l'isolation électrique des nanoparticules et de promouvoir un ordre ferromagnétique dipolaire grâce à une distance interparticulaire faible et bien contrôlée. Enfin, les films sont constitués d'un polymère hôte, qui est également en polystyrène. Ce choix permet une compatibilité chimique optimale entre les nanoparticules fonctionnalisées et la matrice. Dans un souci d'optimisation du procédé (réalisé intégralement par sono-chimie), les formulations ont d'abord été largement caractérisées afin d'améliorer la dispersion des nanoparticules en solution (par ultra-sonication), d'augmenter les interactions de surface entre les deux coquilles, par greffage covalent ou non, ainsi que la stabilité des suspensions colloïdales. Ces formulations ont ensuite été utilisées pour réaliser des films d'épaisseur micrométrique par spin-coating. Le greffage sera la clé d'une excellente tenue mécanique des films. Des spin-curves originales sont établies sur une grande plage de composition et permettent l'obtention de façon reproductible de films homogènes et uniformes sur des substrats 4 pouces. Dans le prolongement du dépôt, deux briques technologiques très innovantes (brevets) s'appuyant sur les propriétés d'énergie de surface très particulières des nanocomposites métal-polymère seront développées visant la planarisation/densification des films sur substrats durs et leur transfert (continu ou localisé) sur substrats flexibles. Un effort très important a été consacré ensuite à la collecte du panel le plus complet possible de propriétés de structure de ces composites en raison de leur grande complexité. Tour à tour, nous avons exploré les propriétés hydrodynamiques, structurales, interfaciales, thermiques et physico-chimiques en ayant recours à un grand nombre de techniques de nano-caractérisation. Au final, les propriétés fonctionnelles, c'est à dire magnétiques, électriques et radioélectriques sont expliquées avec un effort constant de précision et d'analyse comparative. On retient de ce travail quatre faits marquants : 1) des taux de charge en volume proches des limites physiques (~ 20 vol.%), 2) une combinaison DC unique entre aimantation à saturation élevée (0,6 T) et très grande résistivité (1010 µΩ.cm), 3) un caractère électrique percolatif dual (ohmique et tunnel) révélant aussi des défauts de conduction locale par clusters, et enfin 4) des perméabilité et permittivité effectives de l'ordre de 1,5 et 2,8 qui ont pu être évaluées avec succès jusqu'à ~ 15 GHz. / Ultra-miniaturization of RF components faces a historical paradigm in magnetism: on one hand transition metals (Fe, Co, Ni) display the highest permeabilities but are too conductive. On the other hand, oxides are insulating but their properties are extremely low at high frequency. In that context, artificial magnetic materials based on metallic magnetic nanoparticles embedded in a polymer matrix could be an alternative. In this work, two nanocomposites formulations using sonochemistry were studied: one based on cobalt/polystyrene and the other on nickel/polystyrene. The originality lays on a core-double shell structure. The core is the metallic nanoparticle that provides high magnetization. The first shell is graphene (a few nm) that both ensures an efficient protection against oxidation and serves as a chemical functionalization surface. The second shell is an ultra-thin layer of polystyrene which role is to electrically insulate the nanoparticles and to promote a strong dipolar ferromagnetic order thanks to a well-controlled and short interparticle distance. At last the matrix is also polystyrene for chemical compatibility between functionalized nanoparticles and the matrix. In order to optimize the process, the formulations were first thoroughly characterized with the aim of improving nanoparticles dispersion, increasing interactions between the shells – by covalent or non-covalent grafting – as well as the suspensions stability. These formulations were then used to obtain micron-thick films by spin-coating. Grafting is the key of a good mechanical cohesion. Original and reproducible spin-curves are established over a broad range of nanoparticles fraction in order to yield homogeneous and uniform films on 4-inch wafers. Two film deposition-related processes involving surface energy of the nanocomposites were developed for film planarization and transfer objectives. A great effort has been made for precisely understanding structural properties of such complex nanocomposites. A wide number of nanocharacterization techniques were used for determining hydrodynamic, structural, interfacial, thermal and chemical properties. Finally, functional properties – i.e. magnetic, electrical and radioeletric properties – are detailed with comparative analysis. Four results can be highlighted: 1) a high volume fraction of nanoparticles, close to physical boundary (~ 20 vol.%), 2) a unique combination of high magnetization (0.6 T) and high resistivity (1010 µΩ.cm), 3) a dual electrical percolative behavior (ohmic and tunnel) revealing at the same time local conduction defects by clusters, and 4) effective permeability and permittivity of around 1.5 and 2.8 up to ~ 15 GHz, respectively.

La thèse a porté sur l'étude par spectroscopie magnéto-optique de boites quantiques magnétiques et de nanofils semiconducteurs. Ces nanostructures à base de semiconducteurs magnétiques dilués sont élaborées et étudiées dans l'équipe depuis une quinzaine d'année. L'intérêt de ces structures repose sur la possibilité de contrôler et d'étudier très finement le couplage d'un petit nombre de spins localisés avec des porteurs libres. La première partie de la présente thèse a porté sur l'étude des conditions de formation de polarons magnétiques (orientation d'un petit ensemble de spins par l'intermédiaire d'un porteur ou d'une paire électron-trou) dans des boites quantiques CdMnTe. La formation de polarons magnétiques encore assez mal comprise avec les systèmes 0D tels que les boites quantiques auto-assemblées. Une série d'échantillons originaux de boites quantiques magnétiques auto-assemblées (concentration en manganèse intermédiaires) a été élaborée par épitaxie par jets moléculaires dans l'équipe. L'étude de ces échantillons pendant la thèse a permis d'étudier pour la première fois la formation de polarons magnétiques avec des boites quantiques magnétiques chargées négativement par spectroscopie magnéto-optique. La deuxième partie de la présente thèse a porté sur l'étude de nanofils semiconducteurs de boites quantiques insérées en nanofils. Ce projet vise à insérer et étudier des boites quantiques magnétiques dans des nanofils semiconducteurs (ANR Magwires). / This thesis is a part of a project which aims at fabricating a nanometer-sized magnetic object in and at optimizing its properties. A unique feature of Diluted Magnetic Semiconductors (DMS) is a magnetic polaron: a local ferromagnetic order of the spins of the magnetic atoms induced by the strong exchange interaction with the spin of an exciton optically injected in the quantum dot. The first part of the present work is devoted to a study of the optical properties of self-assembled DMS quantum dots. Using time-resolved and CW magneto-optical spectroscopy, we demonstrate the formation of the magnetic polaron associated with a negatively charged exciton or a neutral exciton. We show that the magnetic polaron associated with a negatively charged exciton is characterized by a stronger exchange field and a higher polaron energy than the one of associated with a neutral exciton. A theoretical description is provided in terms of a newly developed model which, in contrast to the widely used "exchange box" model, takes into account the Coulomb interaction between an electron and a hole. The numerical calculation based on this theory allows us to demonstrate its pertinence and to obtain parameters of the magnetic polaron which are in good agreement with the experiment. The second part of the present work is devoted to a study of semiconductor nanowire heterostructures. Such a geometry provides better access to "single object" studies and a better control of the size and the position of a quantum dot which is inserted in a nanowire. The unique anisotropy properties and the possibility of doping with magnetic impurities make nanowires promising candidates for future studies of DMS heterostructures. As a first step, the study of the optical properties of non-magnetic single nanowires with and without an inserted quantum dot, have been performed in the present work. Polarization-resolved photoluminescence experiments combined with cathodoluminescence allowed us to demonstrate the spatial localization of the emitted light. The influence of the strain on the photoluminescence energy is discussed for the nanowire with the core-shell structure. The single-photon emitter properties are characterized by photon correlation measurements. The exciton confinement in the quantum dot inserted in the nanowire is investigated by means of the temperature dependence of the photoluminescence. From the first part, we have in hand the spectroscopic and modeling tools to study the properties of a magnetic polaron with several carriers. In the second part, the fabrication and spectroscopy study of more promising nanostructure to host the magnetic polaron have been performed.

Le manuscrit présente des travaux relatifs à la caractérisation structurale, électrique et magnétique des matériaux manganites poly-cristallin, les manganites qui présentent un intérêt industriel croissant compte tenu de ses nombreux domaines d'application et sa complexité du point de vu fondamentale; ces matériaux sont des systèmes dont les électrons sont fortement corrélés par la présence de plusieurs interactions en compétition. Les principaux objectifs de la thèse étaient de mieux comprendre l'effet de la substitution aléatoire sur le site A de la structure double pérovskite (famille Ruddlesden – Popper A2MnO4 dérivée de pérovskite AMnO3), principalement sur les propriétés magnétique. Cette étude a été effectuée sur toute la gamme de température, étude des phénomènes critique au pont de transition et l'étude de la susceptibilité magnétique a haut température. Enfin, une étude d'autres matériaux présentant des propriétés cristallographiques et physique très intéressantes de type RMX5. Les résultats ainsi obtenu permettent des progrès significatifs dans la compréhension de ces matériaux. / The manuscript presents the work on the structural, electrical and magnetic materials manganites poly-crystalline manganites that have a growing industrial interest due to its many applications and the complexity of fundamental point of view, these materials are systems which electrons are strongly correlated with the presence of several competing interactions. The main objectives of the thesis were to better understand the effect of random substitution on the A site of the perovskite structure twice (family Ruddlesden - Popper A2MnO4 derived from perovskite AMnO3), mainly on the magnetic properties. This study was conducted over the entire temperature range, ie, the study of phenomena Spin Glass at very low temperatures, the study of critical phenomena at the transition point and the study of the magnetic susceptibility at high temperature. Finally, a study of other materials having physical and crystallographic properties very interesting type RMX5.

De plus en plus d’études soulignent l’importance de la localisation intracellulaire des voies de signalisation. Nous avons développé des méthodes permettant de perturber cette localisation à l’aide de nanoparticules magnétiques. Ces dernières sont fonctionnalisées avec les protéines d’intérêts et deviennent ainsi un vecteur permettant de contrôler la localisation de la signalisation. Nous avons tout d’abord appliqué cette méthode dans un système modèle, des gouttes d’extrait cellulaire de Xénope, dans lesquelles nous avons créé artificiellement un gradient de protéines de signalisation à l’aide de nanoparticules magnétiques. Nous avons mis en évidence l’influence d’une asymétrie biochimique sur la localisation d’asters de microtubules. Dans un deuxième temps nous avons examiné la possibilité d’appliquer cette méthode dans des cellules HeLa adhérentes, pour perturber la localisation d’endosomes de signalisation rendus magnétiques. Nous avons cherché à optimiser les conditions expérimentales nécessaires pour contrôler la position d’endosomes de signalisation magnétiques Enfin, un troisième projet dont les résultats préliminaires sont présentés dans cette thèse, a consisté à utiliser un actuateur, non plus magnétique, mais biologique pour confiner une cascade de signalisation. Plus précisément la contraction d’un réseau d’actine confiné dans des gouttes d’extrait cellulaire est utilisée pour localiser des protéines de signalisation. Ces résultats démontrent l’intérêt de nanoparticules magnétiques pour induire et étudier des phénomènes de brisures de symétries dans des environnements biologiques / An increasing number of studies highlight the importance of signaling localization. We developed methods to perturb this localization using magnetic nanoparticles. Proteins of interest are grafted on magnetic nanoparticles, allowing to magnetically localize them. We first propose a new method to engineer directly a spatial gradient of signaling protein concentration within in cell extract droplets using super-paramagnetic nanoparticles. We observed a link between a spatial asymmetry in biochemical cues and microtubules aster positional information. Our assay provides a bottom-up approach to examine the minimum ingredients generating polarization and symmetry breaking within cells. We then examined the possibility to magnetically perturb endosomes position in HeLa cell. We found the experimental conditions to achieve this goal. Finally, we used directly cytoskeleton elements as actin filament to trigger asymmetrically confined signaling proteins and trigger microtubule assembly, in cell extract droplets. More generally, these results show how symmetry breaking within cells can be induced and studied using magnetic nanoparticles and biophysical tools.