L'introduction du semiconducteur ferromagnétique (Ga,Mn)As dans des hétérostructures semiconductrices ouvre la possibilité d'exploiter de nouveaux phénomènes de transport dépendant du spin. Dans des jonctions tunnel composées d'électrodes de (Ga,Mn)As, nous avons étudié l'influence de la hauteur et de l'épaisseur d'une barrière d'(In,Ga)As, ainsi que l'influence du recuit sur la magnétorésistance tunnel (TMR). Nous nous sommes également intéressés à de nouveaux effets d'anisotropie de résistance tunnel liés au fort couplage spin orbite des trous dans (Ga,Mn)As (TAMR). Une interprétation générale de ces 2 phénomènes a été donnée dans le cadre de l'approche du transfert de matrices adaptée à la théorie k.p. L'utilisation d'un puits quantique de GaAs pour sonder la TAMR a permis de mettre en évidence l'influence des différentes sous-bandes de (Ga,Mn)As sur le transport polarisé en spin. Enfin, nous avons démontré la possibilité de manipuler l'aimantation d'une fine couche de (Ga,Mn)As par injection d'un courant polarisé en spin.

Les conducteurs composites sont constitués d'hétérogénéités microscopiques mais apparaissent comme homogènes à l'échelle macroscopique. La description de leur comportement nécessite l'homogénéisation des équations de conduction régissant chacune de leurs phases. Cette thèse s'intéresse à certaines lois effectives pour les conducteurs composites en présence d'un champ magnétique constant. Dans le premier chapitre, on rappelle quelques résultats d'électrophysique (effet Hall, magnétorésistance) et de la théorie de l'homogénéisation (H-convergence) ainsi que son extension à des problèmes à forte conductivité. Dans le chapitre deux, on étudie l'effet Hall dans des composites bidimensionnels à deux phases très contrastées et on compare le résultat d'homogénéisation à celui obtenu avec une structure fibrée renforcée. Le troisième chapitre généralise ce cas particulier et étend la loi comportementale obtenue à des matériaux cylindriques non périodiques sans hypothèse géométrique sur leur section. Les chapitres deux et trois soulignent des différences importantes entre la dimension deux et la dimension trois au niveau des problèmes de conduction à fort contraste. Un quatrième chapitre est consacré à l'étude de la magnétorésistance en dimension trois et met en avant une forte interaction entre la direction du champ magnétique et l'énergie dissipée dans le matériau complétant ainsi un résultat antérieur en dimension deux.

Dans cette thèse de doctorat nous présentons une étude théorique de deux types d'instabilitésferroélectriques: celles apparaissant dans des géométries confinés et celles induites par le magnétismedans dans composés massifs de structure perovskite. Dans une première partie nous abordons leproblème des instabilités ferroélectriques apparaissant dans des nanotubes et des nanocoquillesoù nous développons un modèle théorique phénoménologique approprié à ces structures. Nousétudions comment l'émergence de la polarisation est affectée par (i) l'épaisseur des nanostructures,(ii) par la réponse diélectrique des matériaux environant la couche ferroélectrique et (iii) les conditionsaux interfaces. Nous observons un effet de taille finie topologique qui peut promouvoirune compétition inhabituelle entre deux types de distribution de la polarization, irrotationel eten vortex, dans la limite des très petites épaisseurs. Dans une deuxième partie nous utilisons descalculs ab-initio à base de la théorie de la fonctionnelle de la densité pour étudier les instabilitésferroélectriques des perovskites manganites à base de terres rares (RMnO3). A partir de ces calculsnous prédisons qu'il est possible d'induire une transition de phase sous pression dans EuMnO3 lefaisant transiter d'un ordre antiferromagnétique de type A isolant vers un ordre ferromagnétiquemétallique sous pression. Ce type de transition n'avait jamais été reporté précédemment dans lesmatériaux RMnO3. Nous étendons ensuite cette analyse à l'étude des effets de strain épitaxial dansles films minces de TbMnO3 et EuMnO3. Nos résultats montrent que le diagramme de phase souscontrainte d'épitaxie est bien plus riche que celui sous pression hydrostatique. Nous trouvons queles types antiferromagnétiques E-AFM et E*-AFM sont stabilisés dans le cas de TbMnO3, où letype E*-AFM est une phase métallique polaire. Dans le cas de EuMnO3, nous trouvons une phaseantiferromagnétique de type E qui n'a pas été observée sous pression hydrostatique. / In this thesis, we present a theoretical study of two types of ferroic instabilities: the ferroelectric instability in novel confined geometries and magnetic instabilities controlled by the distortion of the underlying crystal lattice. On the one hand, we consider in detail the ferroelectric instability, specifically, in the nanotubes and the spherical nanoshells and develop a phenomenological theory for describing such an instability. We determine how the emergence of polarization is affected bythe thickness of the nanoparticle, the dielectric properties of the surrounding media and the interfacial boundary conditions. We finnd an intriguing topological finite-size effect that can promote an unexpected competition between two different types of distribution of polarization - irrotational and vortex-like - in the ultra-thin limit. One the other hand, we employ a different formalism to investigate the structural, electronic and magnetic properties of the rare-earth manganites. Specifically,we conduct a theoretical investigation from first-principles calculations. First, we predict a pressure-induced A-AFM insulator to FM metal transition on EuMnO3 under hydrostatic pressure, that is unprecedented in the multiferroic rare-earth manganites RMnO3. This investigation is extended to the study to the epitaxial strain effects on both EuMnO3 and TbMnO3 thin films. We show that epitaxial strain generates a much richer phase diagram compared to hydrostatic pressure. We predict novel magnetically-induced insulator { metal and polar { non-polar transitions. More specifically, we find that both the multiferroic E-AFM order and the polar metallic E*-AFM state are stabilized in TbMnO3 by means of epitaxial strain. In the contrast, we find a novel epitaxial-strain-induced multiferroic E-AFM state in EuMnO3 that cannot be obtained by means of just hydrostatic pressure.

Dans les dernières années, la miniaturisation progressive des dispositifs de stockage magnétique a rendu nécessaire de comprendre comment les propriétés physiques sont modifiées par rapport à l'état massif lorsque les dimensions sont réduites à l'échelle nanométrique. Pour cette raison, une méthode précise de préparation et caractérisation de nanostructures est extrêmement importante. Ce travail se concentre sur les propriétés magnétiques et de transport de nanoparticules de cobalt incorporées dans des matrices de cuivre. Notre dispositif expérimental nous permet de contrôler indépendamment la taille moyenne des agrégats, la concentration et la composition chimique. La production des agrégats de cobalt est basée sur la pulvérisation cathodique et l'agrégation dans la phase gazeuse. Cette source permet de produire des agrégats dans une large gamme de taille, de un à plusieurs milliers d'atomes. Dans un premier temps, nous avons étudié le rôle des interactions entre particules dans les propriétés de transport et magnétiques, en augmentant la concentration des nanoparticules de cobalt (à partir de 0.5 % à 2.5 % et 5 %). Nos résultats démontrent les précautions nécessaires et constituent une base solide pour de futures études sur les propriétés spintroniques des systèmes granulaires. Dans le but de décrire les propriétés magnétiques intrinsèques d'agrégats, nous avons préparé des échantillons fortement dilués (_0.5%) pour différents diamètres d'agrégats de 1.9 nm à 5.5 nm. Nous avons constaté que les propriétés magnétiques sont dépendantes de la taille. L'utilisation d'une caractérisation magnétique complète, sensible à la variation de l'anisotropie magnétique efficace, nous montre que l'anisotropie magnétique est dominée par les contributions de la surface ou de la forme des nanoparticules / In the last years, the progressive miniaturization of magnetic storage devices has imposed the necessity to understand how the physical properties are modified with respect to the bulk when the dimensions are reduced at the nanometric scale. For this reason an accurate method of preparation and characterization of nanostructures is extremely important. This work focuses on the magnetic and transport properties of cluster-assembled nanostructures, namely cobalt nanoparticles embedded in copper matrices. Our setup allows us to independently control the mean cluster size, the concentration and the chemical composition. The cobalt cluster production is based on magnetron sputtering and gas phase aggregation. The performance of the source permits a wide range of cluster masses, from one to several thousand atoms. As a first step we studied the role of inter-particle interactions in the transport and magnetic properties, increasing the cobalt nanoparticle concentration (from 0.5% to 2.5% and 5%). Our results demonstrate the necessary precautions and constitute a solid basis for further studies of the spintronic properties of granular systems. Finally, in order to describe the intrinsic magnetic properties of cluster-assembled nanostructures, we prepared strongly diluted samples (_0.5%) for different cluster sizes from 1.9 nm to 5.5 nm. We found that the magnetic properties are size-dependent. Using a complete magnetic characterization, sensitive to the change in the effective magnetic anisotropy, we show that the magnetic anisotropy is dominated by the contributions of the surface or of the shape of the nanoparticles

Les conducteurs composites sont constitués d'hétérogénéités microscopiques mais apparaissent comme homogènes à l'échelle macroscopique. La description de leur comportement nécessite l'homogénéisation des équations de conduction régissant chacune de leurs phases. Cette thèse s'intéresse à certaines lois effectives pour les conducteurs composites en présence d'un champ magnétique constant. Dans le premier chapitre, on rappelle quelques résultats d'électrophysique (effet Hall, magnétorésistance) et de la théorie de l'homogénéisation (H-convergence) ainsi que son extension à des problèmes à forte conductivité. Dans le chapitre deux, on étudie l'effet Hall dans des composites bidimensionnels à deux phases très contrastées et on compare le résultat d'homogénéisation à celui obtenu avec une structure fibrée renforcée. Le troisième chapitre généralise ce cas particulier et étend la loi comportementale obtenue à des matériaux cylindriques non périodiques sans hypothèse géométrique sur leur section. Les chapitres deux et trois soulignent des différences importantes entre la dimension deux et la dimension trois au niveau des problèmes de conduction à fort contraste. Un quatrième chapitre est consacré à l'étude de la magnétorésistance en dimension trois et met en avant une forte interaction entre la direction du champ magnétique et l'énergie dissipée dans le matériau complétant ainsi un résultat antérieur en dimension deux. / A composite conductor is composed of microscopic heterogeneities but appears as a homogeneous medium on the macroscopic scale. Describing the behavior of such materials requires the homogenization of the conduction equations which rule each of their phases. In this PhD thesis, we study a few effective laws for composite conductors in the presence of a constant magnetic field. In the first chapter, we recall a few results on electro-physics (Hall effect, magneto-resistance) and on the homogenization theory (H-convergence) as well as its extension to high-conductivity problems. In the second chapter, we study the Hall effect in two-dimensional high-contrast two-phase composites and we compare the result to the one obtained with a three-dimensional fibre-reinforced structure. The third chapter generalizes this particular case and extends the perturbation law to non-periodic cylindrical composites without any geometrical assumption on their cross section. The chapters two and three underline the gap between dimension two and dimension three in high-conductivity problems. The fourth chapter analyses the magneto-resistance in a three-dimensional composite medium and outlines a strong interaction between the direction of the magnetic field and the dissipated energy in the material; this completes a previous work on the two-dimensional case.

Cette thèse porte sur l’étude des effets de la lumière sur une jonction tunnel magnétique (JTM). Une JTM est constituée d’une couche isolante d’épaisseur nanométrique située entre deux couches magnétiques. Lorsqu’un courant électrique est injecté dans une telle structure, une tension apparaît. Cette tension dépend de l’orientation relative des aimantations des 2 couches magnétiques : c’est l’effet de magnétorésistance tunnel. Nous avons pu montrer dans ce travail de thèse qu’une observation similaire est obtenue lorsque la jonction est irradiée avec de la lumière. En étudiant l’influence du substrat, de la position du faisceau lumineux, de la longueur d’onde de la lumière ainsi que de la réponse du système a un pulse laser, nous avons pu mettre en évidence la présence d’effets photovoltaïque et Seebeck. Ces résultats montrent qu’il est possible, grâce à la lumière solaire, de lire l’information de mémoires magnétiques (type M-RAM) constituées d’une JTM / This thesis is devoted to the study of the effects of light on a magnetic tunnel junction (MTJ). A MTJ is made of a nanometer thick insulating layer sandwiched between the two magnetic layers. When an electric current is injected into such a structure, a voltage can be measured across the insulating layer. This voltage depends on the relative orientation of the magnetizations of the two magnetic layers. This is known as the tunnel magneto-resistance effect. We have shown in this thesis that voltage depending on the orientation of the magnetic layers can be measured when the junction is illuminated with light. By studying the influence of the substrate, the position of the light beam, the wave length of light and the response of the system to a laser pulse, we have been able to demonstrate the presence of photovoltaic and Seebeck effects. These results show that it is possible, thanks to the sunlight, to read the information from magnetic memory (MRAM) made of a MTJ

L’enjeu principal de cette thèse a été de démontrer la faisabilité de l’Imagerie par Résonance Magnétique à très bas champ (entre 1 mT et 10 mT). Pour ce faire, un nouveau type de capteur, appelé “capteur mixte”, a été utilisé. Ce détecteur est le résultat de l’association d’une magnétorésistance géante avec une boucle supraconductrice. Il génère un bruit en champ comparable aux détecteurs les plus utilisés dans cette gamme de fréquence (Bobine accordées, SQUIDs, Magnétomètres atomique optique). Le couplage entre l’échantillon observé et le capteur mixte a été grandement amélioré à travers l’utilisation d’un transformateur de flux. Cet intermédiaire a été conçu et optimisé pour maximiser la sensibilité en champ du “capteur mixte”. Cet ensemble a ensuite été introduit dans un IRM à très bas champ magnétique pour tester son efficacité in-situ. Parallèlement, différentes séquences d’IRM (GE, SE, FLASH, EPI,...) ont été développées spécifiquement pour le très bas champ. Elles ont été utilisées pour réaliser de l’imagerie tridimensionnelle in-vivo ainsi que des études relaxométriques sur divers produits. Enfin, un système d’IRM “tête entière” a été construit pour permettre l’acquisition d’images à très bas champ magnétique sur un large volume. / The aim of this thesis is to perform Magnetic Resonance Imaging at very low field (from 1 mT to 10 mT). A new kind of sensor called “mixed sensor” has been used to achieve a good detectivity at low frequencies. Combining a superconducting loop and a giant magnetoresistance, those detectors have a competitive equivalent field noise compared to existing devices (Tuned coils, SQUIDs and Atomic Magnetometers). They have been combined with flux transformers to increase the coupling between the sample and the sensor. A complete study has been performed to adapt it to mixed sensors and then maximize the gain. This set has been incorporated in an existing small MRI device to test its robustness in real conditions. In parallel, several MRI sequences (GE, SE, FLASH, EPI, ...) have been integrated and adapted to very low field requirements. They have been used to perform in-vivo three dimensional imaging and relaxometry studies on well known products to test their reliability. Finally, a larger setup adapted for full-head imaging has been designed and built to perform images on a larger working volume.

La détection des très faibles valeurs de champ magnétique est un enjeu important pour l’émergence à plus grande échelle de techniques pour le domaine du médical telles que la magnéto cardiographie, ou la magnétoencéphalographie. Les solutions existantes industrialisées reposent sur l’utilisation de jonctions tunnels supraconductrices qui permettent de fabriques des SQUIDS (Superconducting Quantum Intereference Device) qui sont les briques de base des magnétomètres avec des sensibilités de l’ordre de la dizaine de femtotesla. Cependant cette approche impose de travailler à des températures très basses qui ne sont accessibles qu’avec de l’hélium liquide. Un approche récente, développée par le Spec-CEA permet de travailler à l’azote liquide (77K) ce qui lève un certain nombre de contraintes. Le dispositif est un capteur mixte composé d’une boucle supraconductrice de grande taille qui contient une constriction de taille micrométrique sur laquelle est rapportée une magnétorésistance tunnel qui sert de sonde locale du champ magnétique. L’objectif du travail dans ce travail de thèse est de poursuivre le développement de ce type de capteur en utilisant visant des structures tout oxyde. En effet l’intégration complète de ce type de capteur permettrait de gagner encore en termes de performances et d’atteindre une résolution de l’ordre du femtotesla. Pour ce faire le travail vise à intégrer une jonction tunnel tout oxyde directement par épitaxie sur la constriction. La jonction tunnel sera réalisée à partie d’oxydes magnétiques tels que les composés LaSrMnO3 ou SrRuO3 qui sont deux matériaux ferromagnétiques à la température de l’azote liquide. / Sensing of extremely weak magnetic signals, such as produced by electrical activity of the human heart and brain, still remains a challenge. A very promising alternative to established field-sensing techniques is a novel, spin electronic based, ultrasensitive device called an all-oxide mixed sensor. It is formed by a superconducting loop, acting as a flux-to-field transformer and field amplifier, combined with a magnetic tunnel junction sensing the field.Our research activities have the goal to improve the performance of the mixed sensor, focusing on its core component – the magnetic tunnel junction (MTJ). The capability of an MTJ is predominantly determined by the quality of the tunnel barrier and by the stability of magnetization states. In this context, oxide materials, known for their remarkable physical properties, have already shown their advantages. Thus, studies on La0.7Sr0.3MnO3/SrTi0.8Nb0.2O3 functional oxide interfaces, exploration of SrRuO3/ La0.7Sr0.3MnO3 exchange bias system, and the final integration of these two components into a magnetic tunnel junction form the main part of our work.In the presented thesis, oxide thin films and heterostructures used for studies were grown by pulsed laser deposition (PLD). We fabricated electronic devices for investigations using clean room microfabrication techniques , e.g. optical lithography, chemically assisted ion beam etching (CAIBE) and sputtering. Temperature dependent magnetic and (magneto-) transport measurements were performed.Metal-semiconductor interfaces formed by the half-metallic ferromagnet La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) and heavily doped semiconductor SrTi0.8Nb0.2O3 (Nb:STO) were studied. Antiferromagnetic coupling at the interface of the LaSrMnO3 and itinerant ferromagnet SrRuO3 was explored. Magnetic tunnel junctions with Schottky barrier were investigated (MTJs with Nb:STO and LSMRO).

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l'expérience à la théorie de l'effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l'objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d'établir expérimentalement l'existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s'expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d'un excès d'oxygène à l'interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d'un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d'une barrière additionnelle à l'interface pour les états de symétrie Δ1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d'oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l'électrode sous-jacente. L'emploi d'alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes Δ et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO.

Un matériau magnétorésistif voit sa résistance électrique varier lorsqu'un champ magnétique lui est appliqué. Le but de cette étude est de relier les différents paramètres structuraux aux propriétés magnétiques et de magnétorésistance de systèmes granulaires de Cu80FexNi20-x (at%) élaborés sous forme de rubans. L'influence de la composition de l'alliage est d'abord présenté. Puis, la microstructure d'un ruban de Cu80Fe10Ni10(at%), présentant le maximum de magnétorésistance, a été précisément caractérisée de l'échelle microscopique à l'échelle atomique. Cet échantillon est constitué de précipités fcc riches en fer et en nickel cohérents avec la matrice riche en cuivre. L'étude des propriétés magnétiques de ce ruban a permis de montrer que des interactions magnétiques sont présentes qui diminuent la MRG. Les paramètres structuraux (distributions de taille et de composition, fraction volumique et densité de précipités, largeur des interfaces...) ont été corrélés aux propriétés magnétiques.