Les nanoparticules magnétiques de structure spinelle MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn, Zn, Ni...) ont été largement étudiées pour leurs applications variées allant du stockage de l'information aux applications biomédicales. Parmi ces applications, les plus récentes basées sur les propriétés magnétiques dynamiques des nanoparticules sont en pleine expansion et nécessitent des particules magnétiques avec une énergie d'anisotropie contrôlée. L'objectif de cette thèse était de synthétiser des nanoparticules magnétiques avec une énergie d'anisotropie modulable, en associant des matériaux présentant des propriétés magnétiques intrinsèques différentes. Nous avons choisis la synthèse par décomposition thermique à haute température, qui présente l'avantage de former des nanoparticules monodisperses avec une morphologie contrôlée. Afin de développer des propriétés magnétiques originales et moduler l'énergie d'anisotropie des particules, nous avons synthétisé des nanoparticules multicoquilles magnétiques constituées d'un coeur doux (Fe3O4, MnFe2O4, NiFe2O4), d'une coquille dure (CoFe2O4) et d'une deuxième coquille douce pour les particules trimagnétiques. Nous avons montré que le champ coercitif augmente lorsqu'un cœur d'un matériau doux est recouvert avec une coquille d'un matériau dur. Pour les particules MnFe2O4@CoFe2O4@NiFe2O4, l'ajout d'une seconde coquille douce diminue le champ coercitif. La constante d'anisotropie évolue dans le même sens. Deux autres systèmes ont également été synthétisés et comparés à ces multicoquilles. Les ferrites mixtes Co1?xMnxFe2O4, avec x compris entre 0 et 1, et les ferrofluides binaires composés d'un mélange de ferrites MFe2O4 (M = Mn ou Ni) et CoFe2O4. / Magnetic nanoparticles with spinel structure MFe2O4 (M = Fe, Co, Mn, Zn, Ni...) have been extensively studied for their various applications ranging from magnetic recording to biomeical applications(...)...

Avec les besoins croissants en enregistrement magnétique à haute densité, un effort important a été apporté à la fabrication et au contrôle des nanoalliages magnétiques. En effet les alliages magnétiques possèdent des propriétés beaucoup plus intéressantes que les métaux purs, en particulier les alliages chimiquement ordonnés (par exemple une forte anisotropie magnétique). Quand ces alliages se retrouvent à l'échelle du nanomètre, leurs propriétés peuvent de plus être exaltées ou fortement modifiées. Ces dix dernières années, une grande attention s'est tournée sur les remarquables propriétés magnétiques de l'alliage ordonné FeRh, d'un point de vue tant fondamental que technologique. En effet l'alliage FeRh présente, dans une étroite gamme de composition proche de l'équiatomique, une transition magnétique d'un état antiferromagnétique (AFM) vers un état ferromagnétique (FM). Cette transition est observée, dans l'alliage massif, à une température proche de 370K, soit au-dessus de la température ambiante. Cet alliage est de ce fait un excellent candidat pour l'enregistrement magnétique assisté thermiquement ainsi que pour la microélectronique. Le travail présenté est centré sur l'élaboration et l'étude de nanostructures de FeRh de différentes morphologies. Toutes les nanostructures ont été élaborées par voie physique dans un bâti ultra-vide de pulvérisation cathodique. Une attention particulière s'est portée sur l'évolution des caractéristiques structurales, et dans certains cas magnétiques, des nanostructures, en fonction de leur taille et des paramètres d'élaboration. Deux types de nanostructures ont été étudiés : des films minces épitaxiés sur un substrat cristallin de MgO (001) et des nanoparticules élaborées dans une matrice d'alumine amorphe. L'évolution des caractéristiques morphologique, chimique et structurale a été analysée par diffraction des rayons X et par microscopie électronique en transmission et spectroscopies associées. Les propriétés magnétiques ont été étudiées macroscopiquement par magnétométrie à échantillon vibrant (VSM) et in-situ dans un microscope par holographie électronique. / With the increasing demand for ultra-high density magnetic recording, an important effort was put on fabrication and control of magnetic nanoalloys. Indeed, magnetic alloys possess much more interesting properties than magnetic pure metals in particular chemically ordered alloys (higher magnetic anisotropy). When these alloys have a nanometer size, their properties may change significantly. In the last decade, much attention has been paid to the remarkable magnetic properties of the FeRh ordered alloy, for both fundamental and technological issues. Indeed, the FeRh alloy presents, in a very narrow range of composition close to the equiatomic one, a magnetic transition from antiferromagnetic (AFM) to ferromagnetic (FM) state. This transition takes place at a temperature close to 370K in the bulk, i.e. slightly higher than room temperature, which make with alloy particularly attractive for applications as heat-assisted magnetic recording or for microelectronics. The present work focuses on the fabrication and study of FeRh nanostructures with different morphologies. All the nanostructures were grown by dc magnetron sputtering in an ultra-high vacuum chamber. Particular attention was paid to the evolution of the structural, and eventually magnetic, characteristics of the nanostructures as the function of their size and the growth conditions. Two types of nanostructures were studied: thin films epitaxially grown on MgO (001) and nanoparticles embedded in an amorphous alumina matrix. The evolution of the morphological chemical and structural characteristics was analyzed by high-angle X-ray diffraction (XRD) and by transmission electron microscopy (TEM) and associated spectroscopies. Magnetic properties were studied by vibrating sample magnetometer and in-situ in a microscope by electronic holography.

Mon travail de recherche a porté surl’étude de la réponse magnétique orbitale d’un gazd’électrons dans le potentiel cristallin d’un solide.Cette étude est dans la continuité du travail deLandau (diamagnétisme de Landau) et de Peierls,ce dernier ayant développé une formule de susceptibilitéorbitale valable pour les modèles cristallinsà une bande. L’objet de ma thèse a été degénéraliser cette formule à un nombre quelconquede bandes, travail réalisé à l’aide d’une théorie deperturbation invariante de jauge. Je me concentreparticulièrement sur l’étude des modèles à deuxbandes, afin de mettre en évidence l’importancedes couplages interbandes dans la susceptibilitéorbitale. Cela fait intervenir la courbure de Berry,grandeur classiquement associée à ces couplages,mais également le tenseur métrique qui joue unrôle crucial. En particulier, je montre qu’un isolantde bandes peut avoir une réponse magnétiquemême si sa bande de valence est remplie, et je metsen évidence un modèle où les propriétés géométriquespeuvent être variées tout en maintenantfixes les propriétés spectrales, ce qui induit desmodifications importantes de la réponse magnétique. / My research project has been to studythe orbital magnetic response of a electron gas inthe periodic potential of a crystal. Its purpose isto generalize Landau’s diamagnetism and Peierls’formula for one-band crystals. The main goal wasto generalize Peierls’ work to any number of bands.Then, I applied the obtained formula to 2-bandsystems in order to highlight the role of interbandeffects in the orbital susceptibility. The susceptibilitycan be written using Berry curvature, quantityassociated to interband effects, as well as the metrictensor. In particular, I show that a band isulatorcan have a non-vanishing magnetic responseeven if the chemical potential lies in the gap. Moreover,I study a model where the geometric propertiescan be tuned without changing the dispersionrelation. This tuning can drastically modifythe orbital magnetic response.

La découverte de la magnétorésistance géante en 1988 est considérée comme la date de naissance d’un nouveau et dynamique champ de recherche appelé l’électronique de spin. La riche physique associée au transport de spin devrait révolutionner le futur de la nanoélectronique. Dans ce cadre les nano-oscillateurs à transfert de spin (STOs) se sont positionnés comme des candidats sérieux pour le développement d’une nouvelle génération de dispositifs rf basés sur l’électronique de spin.Au début de ma thèse, l’important bruit de phase des STOs restait une contrainte majeure limitant les perspectives technologiques à ce type d’oscillateurs. Dans cette thèse nous avons cherché à contrôler la dynamique des STOs et à réduire leur bruit phase en développant différentes stratégies : (i) l’optimisation des propriétés des matériaux magnétiques utilisés (ii) l’excitation de modes couplés dans des systèmes hybridés (iii) la stabilisation de la dynamique de la phase d’un STO avec un signal extérieur de référence (iv) la synchronisation mutuelle de différents oscillateurs pour améliorer la cohérence spectrale et la puissance des STOs. Nous focalisons en particulier sur le cas de STO à base de vortex magnétique qui présentent intrinsèquement des cohérences spectrales plus élevées que celles d’autres types d’oscillateurs.Dans une première partie, nous nous proposons d’identifier et d’étudier les différents mécanismes qui régissent et contrôle la dynamique d’un STO à base de vortex magnétique dans les régimes auto-oscillant et non-autonomes. Nous mettons tout d’abord en évidence que l’excitation de modes couplés permet de contrôler les propriétés rf d’un oscillateur unique en prenant l’exemple d’un STO à base de deux vortex magnétiques couplés. Par la suite, nous étudions la synchronisation « parfaite » de ces STOs à base de vortex avec un courant rf de référence. Nous corrélons l’observation d’une largeur de raie d’un hertz et d’un bruit de phase minimum de -90 dBc/Hz à 1kHz de la porteuse dans l’état synchronisé à une absence de glissement de phase, i.e. à l’absence de phénomène de désynchronisation. Le fort couple de Field-like planaire mesuré dans ces STOs représente un outil précieux pour contrôler le processus de synchronisation. Dans le cas des STOs à double vortex, un tel contrôle nous permet d’observer des phénomènes physiques exotiques allant de la synchronisation simultanée de plusieurs modes, à de l’auto-synchronisation en passant par des dynamiques de synchronisation incohérentes.Dans une seconde partie, nous proposons différents concepts innovants de dispositifs rf à base de vortex magnétique. Nous présentons tout d’abord les bases d’une boucle à retard de phase permettant d’asservir un STO. En prenant avantage du fort couple de Field Like, nous développons un nouveau schéma de détection rf, plus efficace que les actuelles diodes Schottky, basé sur un renversement d’aimantation en expulsant réversiblement le cœur de vortex à l’aide d’un courant rf. Finalement, nous démontrons qu’il est possible de synchroniser électriquement deux STOs connectés directement en parallèle ou en série, ou à l’aide d’une ligne à retard. Nous montrons ainsi qu’une forte amélioration de la cohérence spectrale (d’un facteur 2) et de la puissance (d’un facteur 4 pour un maximum de 1.6 μW) peut être obtenues dans l’état synchronisé. A l’aide de la ligne à retard, nous mettons par ailleurs en évidence le rôle crucial du déphasage entre les deux STOs sur les propriétés de l’état synchronisé. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie vers la synchronisation de réseaux de STOs sans champ appliqué et sans ligne à retard entre les oscillateurs.Dix ans après leur découverte, les oscillateurs à transfert de spin n’ont toujours pas dévoilé tout leur potentiel et de nouvelles applications sont maintenant envisagées, allant de dispositif rf classiques à des circuits logiques et dispositifs bio-inspirés basés sur les STOs. / The discovery of the giant magnetoresistance in 1988 is considered as the birth date of a new and dynamic research field called spintronics. The rich physics associated with spin transport has created a breakthrough for the future of nano-electronics. In the magnetism roadmap, spin-torque oscillators (STOs) are candidates for future generation of spintronic based rf-devices.At the beginning of this thesis, one major issue of spin-torque oscillators remained their poor spectral coherence. To overcome this issue, we have investigated different approaches: (i) the development of magnetic materials with a low damping and large spin-polarization, (ii) the study of collective mode dynamics in hybridized magnetic systems (iii) the stabilization of the STO dynamics with a reference external signal (iv) the synchronization of multiple STOs to enhance both their power and spectral coherence. We focus our work on vortex based STOs which present higher spectral coherences than other kinds of STOs.In a first part, we study the different mechanisms that can drive and stabilize the dynamics of a vortex based STO in the autonomous and non-autonomous regimes. We first highlight that the excitation of collective modes allows the harnessing the rf-properties of a single and isolated in a double vortex based STO. Then we report the ``perfect'' phase-locking of a STO with an external rf-current. To go beyond this analysis, we notice that a 1 Hz minimum linewidth and a flat phase noise level of -90 dBc/Hz at 1 kHz from the offset frequency in the locked state could be associated with the absence of phase slips, i.e desynchronization events. We demonstrate that the locking process is driven by a Field-like in-plane torque which gives the possibility to control with precision the STO locking process. In our double vortex based STO, we can even observe exotic behaviors such as multi-mode synchronization, self-resonance and eventually incoherent motion. Such a degree of control, unexpected for a nano-scale oscillator, is particularly promising for the development of STO based nanodevices.In a second part, we propose different concepts of spintronic rf-devices based on vortex STOs. We describe the basis of an on-chip STO based phase locked loop. By taking advantage of the large Field-like torque in our STOs, we develop a new radio-frequency detection scheme, more efficient than the state of the art Schottky diode, based on magnetization switching through the resonant and reversible expulsion of the vortex core. Finally, we show the first experimental observation of the electrical synchronization of two STOs connected directly in parallel or in series, or with an electrical delay line. In the synchronized state, we show a strong improvement of both the spectral coherence (by a factor 2) and the output power (by a factor 4, up to 1.6 μW). We also demonstrate, with an electrical delay line, the strong impact of the phase shift between the two STOs on the synchronized regime. These promising results open the way for the synchronization of STO arrays at zero field and without electrical delays.Ten years after their discovery, spin-torque oscillators have thus not yet revealed all their potential and promising applications could be soon targeted, in order to realize a spin logic circuit, bio-inspired spintronic devices and more classical rf-applications.

Comprendre la dynamique des parois magnétiques est essentiel pour le développement de technologies comme les mémoires magnétiques à haut densité. D'un point de vue fondamental, les parois de domaines peuvent être décrites comme des interfaces élastiques qui se déplacent dans un faible désordre d’ancrage. Leur dynamique, dite de reptation, présente des comportements universels qui sont caractérisés par des exposants critiques dépendant notamment de la dimensionnalité. Plus généralement, les comportements universels sont observés dans différents phénomènes aussi diverses que la propagation des fractures en solides, des fronts de combustion, des parois de domaines ferroélectriques... La première partie de la thèse propose une analyse les comportements universels de la transition de dépiégeage de parois de domaines sous champ magnétique. La dynamique de paroi a été étudiée sur une large gamme de températures, dans une couche ferromagnétique ultramince de Pt/Co/Pt. Nous avons comparé nos résultats avec ceux obtenus pour d’autres matériaux. Nous avons pu mettre en évidence la fonction universelle de la transition de dépiégeage qui rend compte des effets de champ magnétiques et des effets thermiques. La deuxième partie présente une étude des effets de taille finie sur les régimes de reptation. Nous avons mesuré les exposants critiques pour des couches de (Ga,Mn)(As,P) de différentes épaisseurs. Nous avons pu observer une discontinuité des exposants dits de rugosité et de reptation. Cette discontinuité est la signature d’un changement criticité de la dynamique qui est associé à une transition de dimensionnalité. Au-dessous d’un champ critique dépendant de l’épaisseur de la couche et de la température, une paroi se comporte comme une ligne élastique (d = 1) se déplaçant dans un milieu 2D. Au-dessus du champ critique, le mouvement de paroi correspond à celui d’une surface (d = 2) dans un milieu 3D. Dans la dernière partie, nous analysons la criticité du mouvement de paroi déplacé par courant électrique dans une couche mince de (Ga,Mn)(As,P). Nous étudions comment varie la dynamique de paroi avec l’angle entre la direction du courant et la normale à la paroi. Pour un courant perpendiculaire à la paroi, les exposants critiques de rugosité et de reptation mesurés sont similaires à ceux obtenus sous champ magnétique. Cela indique une compatibilité avec la classe d’universalité dite quenched Edward-Wilkinson. Pour un angle non-nul, la croissance de facettes révèle une compatibilité avec la classe d’universalité quenched Kardar-Parisi-Zhang négative. / Understanding magnetic domain walls dynamics (DW) is crucial in order to develop technological applications like high density memories in ferromagnets. From the fundamental point of view domain walls are described as interfaces moving in a weak pinning potential. Below the depinning threshold, DWs move in what it is known as the creep regime, which exhibit universal behaviors characterized by critical exponents who depend, among other things on the dimensionality and geometry of the interface. More generally, these universal behaviors are shared by different physical systems as diverse as propagation of fractures in solids, combustion fronts, ferroelectric domain walls... In the first part of the thesis, we address the universal behavior of the depinning transition in domain walls driven by magnetic field. For this purpose we measure the DW velocity as a function of magnetic field in an ultrathin Pt/Co/Pt film and then compare our results with other materials. We reveal a universal scaling function and obtain a consistent description for both the depinning transition and the thermally activated creep regime. In the second part of the manuscript, we study the sample size effects on the critical exponents within the creep regime. We use ferromagnetic (Ga, Mn)(As,P) films of different thicknesses. We observe a discontinuity in the roughness ζ and the creep µ exponents. This discontinuity evidences a dimensional crossover and a change in criticality in the quenched Edward-Wilkinson model. Below a certain critical field Hc, the DW behaves as an elastic line (d = 1) moving in a 2D medium. Above Hc the DW motion corresponds to an elastic interface (d = 2) moving in a 3D medium. In the last part, we compare the thermally activated creep dynamics in domain walls driven by magnetic field and by electric current separately in a (Ga,Mn)(As,P) thin film. We study the DW dynamical response with the angle between the current and the normal to the DW. When the angle between the current and the normal to the DW is sufficiently small, the critical exponents measured for current induced DW motion are very similar than for field induced DW motion. This result indicates agreement with the quenched Edward-Wilkinson universality class. When the angle between the DW and the current is not negligible, the DW faceting reveals compatibility with the quenched negative Kardar-Parisi-Zhang universality class.

Les oscillateurs à transfert de spin se distinguent des autres oscillateurs électroniqueshyperfréquences notamment par leurs grandes non-linéarité et agilité en fréquence.Cependant quoi que les principes fondamentaux de ces systèmes soient bien compris,leurs performances en termes de puissance de sortie et de largeur de raie en limitent lesapplications au stade de prototype. Pour y remédier, une des stratégies est celle de lasynchronisation mutuelle, qui devrait améliorer les caractéristiques de ces systèmes enaugmentant le volume oscillant, mais aussi permettre la réalisation de structures pluscomplexes. Bien que le mécanisme fondamental a été démontré, toutes ses implicationsne sont pas encore parfaitement comprises. C’est dans cette perspective que nous étudionsle réseau minimal d’oscillateurs non-linéaires constitué par une paire d’oscillateursà transfert de spin mutuellement couplés via leur rayonnement dipolaire. L’originalitéde ce travail réside dans l’introduction d’une antenne, qui peut générer un signal hyperfréquence et agir comme troisième oscillateur "idéal" pour explorer la riche dynamique du système, qui présente des intérêts aussi bien fondamentaux qu’applicatifs. / Spin torque oscillators have driven interest among other electronic microwaveoscillators notably for their high nonlinearity and agility. However although the fundamentalprinciples of those systems are well-understood, these are limited to the realisationof prototypes due to their poor performances in terms of emitted power and linewidth.One strategy to deal with those limitations consists in mutually synchronising several suchoscillators, which would increase the oscillating volume, thereby improving these characteristics and allowing the realisation of more complex structures. Despite the fact thatthe fundamental principle has been demonstrated, its implication are still far from beingperfectly understood. In this perspective we study the minimalistic network consisting ina pair of spin torque oscillators mutually coupled via their magneto-dipolar interaction.The originality of this work lies in the introduction of a microstrip antenna, which enablesthe generation a microwave signal and acts as a third "ideal" oscillator to probe the richdynamics of this system, which displays fundamental as well as applicative interests.

Dans les alliages 3d, les propriétés magnétiques des solutés peuvent être extrêmement sensibles aux environnements chimiques locaux, et avoir un impact crucial sur diverses propriétés thermodynamiques et cinétiques. Afin de comprendre les propriétés fondamentales de ces alliages, la première partie de ce travail est dédiée à l’étude ab-initio des effets de l’environnement chimique local sur l’état magnétique des solutés de Mn dans le Fe-Mn. Diverses configurations contenant du Mn, isolé ou sous forme d’amas, en présence de lacunes ou d’impuretés interstitielles sont étudiées et leur configuration magnétique de plus basse énergie est déterminée. Un modèle effectif d’interactions est paramétré à partir des données ab-initio afin d’étudier les propriétés des alliages Fe-Mn à température finie. Les propriétés clés sont identifiées et le modèle est validé à basse température en reproduisant les résultats ab-initio. L’utilisation de ce modèle couplé à des simulations Monte Carlo permet de simuler l’évolution chimique des alliages Fe-Mn en fonction de la température et de la concentration en Mn, tout en relaxant la structure magnétique en temps réel. Afin d’illustrer les possibles applications de ce modèle, diverses propriétés sont étudiées telles que la dépendance en concentration de la température de Curie ou encore l’évolution en température de l’énergie de mélange et de l’ordre atomique à courte distance. Puisque dans ces alliages la diffusion est en général régie par mécanisme lacunaire, nous proposons aussi un formalisme prenant en compte explicitement les effets de l’ordre magnétique local sur les propriétés des lacunes. Par simulations Monte Carlo de traceurs, cette approche prédit la dépendance en température de l’auto-diffusion dans le Fe en excellent accord avec les études expérimentales. La déviation de la loi d’Arrhénius proche de la température de Curie est directement prédite, ainsi que le changement de pente entre les régimes ferromagnétique et paramagnétique. La précision du modèle de Ruch, couramment utilisé dans la littérature, est discutée au vu des résultats obtenus. Enfin, cette approche est appliquée à la diffusion d’un soluté de Mn dans le Fe pur et comparée aux résultats expérimentaux. / In 3d alloys, magnetic properties of solutes can be extremely sensitive to local chemical environments and can have a crucial impact on various thermodynamic and kinetic properties. In order to properly understand the fundamental properties of these alloys, the first part of this work is dedicated to the study of the effects of local chemical environment on the magnetic state of Mn solutes in bcc Fe-Mn by means of Density Functional Theory. Namely, configurations containing Mn, being isolated or forming a cluster, and in the presence of vacancies or interstitial impurities are investigated and their lowest-energy magnetic configuration is determined. The ab-initio data produced are then used to parameterize an effective interaction model in order to study the properties of Fe-Mn alloys at finite temperature. The key features of Fe-Mn alloys are identified, and the model is validated at low temperature by reproducing ab-initio predictions. Using this model coupled to Monte Carlo simulations, we simulate the chemical evolution of Fe-Mn properties depending on temperature and Mn concentration while relaxing the magnetic structure on-the-fly. In order to illustrate the validity and the applicability of the model, we examine certain finite temperature properties of bcc Fe-Mn alloys such as the concentration dependence of the Curie temperature or the temperature evolution of the mixing energy and the atomic short-range order. Since diffusion in Fe and Fe-Mn alloys is generally ruled by vacancy-mechanism, we also propose a formalism to take explicitly into account the properties of vacancies in the interaction model and the effect of local magnetic state on these properties. Using tracer diffusion Monte Carlo simulations, this approach predicts the temperature dependence of self-diffusion in bcc Fe in excellent agreement with experimental results, including the deviation from Arrhenius law around the Curie temperature and the change of slope between the ferromagnetic and paramagnetic regimes. The accuracy of the widely used Ruch model is discussed in the light of the present results. Finally, we apply this approach to the diffusion of a Mn solute in bcc Fe and compare with experimental results.

Cette thèse comprend trois sujets différents, tous en rapport à des problèmes de structures électroniques. Ces trois sujets sont présentés dans trois parties indépendantes.Cette thèse commence par une introduction générale présentant les problématiques et les principaux résultats.La première partie traite de la théorie de la fonctionnelle de la densité lorsqu'elle est appliquée aux modèles d'électrons avec spins polarisés. Cette partie est divisée en deux chapitres. Dans le premier de ces chapitres, nous introduisons la notion de N-représentabilité, et nous caractérisons les ensembles de matrices de densité de spin représentables. Dans le second chapitre, nous montrons comment traiter mathématiquement le terme de Zeeman qui apparaît dans les modèles comprenant une polarisation de spin. Le résultat d'existence qui est démontré dans (Anantharaman, Cancès 2009) pour des systèmes de Kohn-Sham sans polarisation de spin est étendu au cas des systèmes avec polarisation de spin.Dans la seconde partie, nous étudions l'approximation GW. Dans un premier temps, nous donnons une définition mathématique de la fonction de Green à un corps, et nous expliquons comment les énergies d'excitation des molécules peuvent être obtenues à partir de cette fonction de Green. La fonction de Green peut être numériquement approchée par la résolution des équations GW. Nous discutons du caractère bien posé de ces équations, et nous démontrons que les équations GW0 sont bien posées dans un régime perturbatif. Ce travail a été effectué en collaboration avec Eric Cancès et Gabriel Stoltz.Dans le troisième et dernière partie, nous analysons des méthodes numériques pour calculer les diagrammes de bandes de structures cristallines. Cette partie est divisée en deux chapitres. Dans le premier, nous nous intéressons à l'approximation de Hartree-Fock réduite (voir (Cances, Deleurence, Lewin 2008)). Nous prouvons que si le cristal est un insolant ou un semi-conducteur, alors les calculs réalisés dans des supercellules convergent exponentiellement vite vers la solution exacte lorsque la taille de la supercellule tend vers l'infini. Ce travail a été réalisé en collaboration avec Salma Lahbabi. Dans le dernier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode numérique pour le calcul des diagrammes de bandes de cristaux (qui peuvent être aussi bien isolants que conducteurs). Cette méthode utilise la technique des bases réduites, et accélère les méthodes traditionnelles. Ce travail a été fait en collaboration avec Eric Cancès, Virginie Ehrlacher et Damiano Lombardi / This thesis contains three different topics, all related to electronic structure problems. These three topics are presented in three independent parts.This thesis begins with a general introduction presenting the problematics and main results.The first part is concerned with Density Functional Theory (DFT), for spin-polarized models. This part is divided in two chapters. In the first of these chapters, the notion of N-representability is introduced and the characterizations of the N-representable sets of spin-density 2X2 matrices are given. In the second chapter, we show how to mathematically treat the Zeeman term in spin-polarized DFT models. The existence of minimizers that was proved in (Anantharaman, Cancès 2009) for spin-unpolarized Kohn-Sham models within the local density approximation is extended to spin-polarized models.The second part of this thesis focuses on the GW approximation. We first give a mathematical definition of the one-body Green's function, and explain why methods based on Green's functions can be used to calculate electronic-excited energies of molecules. One way to compute an approximation of the Green's function is through the self-consistent GW equations. The well-posedness of these equations is discussed, and proved in the GW0 case in a perturbative regime. This is joint work with Eric Cancès and Gabriel Stoltz.In the third and final part, numerical methods to compute band-diagrams of crystalline structure are analyzed. This part is divided in two chapters.In the first one, we consider a perfect crystal in the reduced Hartree-Fock approximation (see (Cances, Deleurence, Lewin 2008)). We prove that, if the crystal is an insulator or a semi-conductor, then supercell calculations converge to the exact solution with an exponential rate of convergence with respect to the size of the supercell. This is joint work with Salma Lahbabi. In the last chapter, we provide a new numerical method to calculate the band diagram of a crystal (which can be either an insulator or a conductor). This method, based on reduced basis techniques, speeds up traditional calculations. This is joint work with Eric Cancès, Virginie Ehrlacher, and Damiano Lombardi

Ce travail porte sur la compréhension de la synthèse par voie chimique de nanoparticules (NPs) de FePt et FePd, et sur la recherche de voies pour obtenir la phase cristalline L10, en évitant les phénomènes de coalescence associés au recuit thermique. En remplaçant l'oleylamine par l'hexadécanenitrile, les NPs de FePt de 3-4 nm ont une composition interne plus homogène. Par une étude systématique (plan d'expérience reposant sur les tables de Taguchi), nous avons développé la synthèse de NPs de FePd, en mettant en évidence l'impact de chaque ligand et du réducteur. Afin d'induire la transition de phase sans coalescence des NPs, nous avons exploré deux méthodes. Dans la première, nous proposons de générer les lacunes par l'irradiation par d'ions légers, leur diffusion étant permise par un recuit à température modérée (300°C). Nous observons, sans coalescence, un accroissement important de l'anisotropie magnétique des NPs, avec une température de blocage multipliée par 4. Cependant, l'ordre chimique élevé de la phase L10 n'est pas obtenu, ce que nous interprétons. Notre seconde approche repose sur la dispersion des NPs dans une matrice granulaire de NaCl avant le recuit à 700°C. L'ordre chimique et l'anisotropie magnétocristalline obtenues sont élevées, la température de blocage est supérieure à 400°C. Nous avons mis au point une méthode pour transférer ces NPs dans des solutions stables, aqueuses ou organiques. Ces NPs de très forte anisotropie sont maintenant disponibles pour des manipulations et l'auto-organisation. Elles ouvrent de nombreuses perspectives d'études fondamentales et d'applications (stockage de l'information, biologie...).

La cinématique et la déformation des laves ont été traitées selon trois approches : volcanologie descriptive, pétrophysique et magnétisme. Les laves sont classées, selon leurs modes de mise en place, en aa ou pahoehoe. Elles contiennent dans leurs intérieurs différents critères qui permettent de classer les laves anciennes comme celles du Massif Central, afin de contraindre leurs mises en place. L'analyse texturale (MEB) des brèches associées aux laves a révélé des informations pétrophysiques sur leurs formations. Les clinkers sommitaux sont typiques des coulées aa alors que les clinkers basaux peuvent se développer dans des coulées pahoehoe par phréatomagmatisme, comme les pépérites, ou par cisaillement basal. Une méthodologie AMS est proposée et appliquée à deux coulées de lave. Les résultats obtenus sont interprétés en terme de scénarios de mise en place incluant l'établissement d'un profil qualitatif de vitesse et la reconstruction des derniers mouvements de la lave.