The Interactions and magnetization reversal of Ni nanowire arrays and synthetic anit-ferromagnetic coupled thin film trilayers have been investigated through first order reversal curve (FORC) method. By using a quantitative analysis of the local interaction field profile distributions obtained from FORC, it has proven to be a powerful characterization tool that can reveal subtle features of magnetic interactions.

Dans la première partie de cette thèse, nous étudions le renversement de l'aimantation de nanofils d'alliage FePt à forte anisotropie magnétocristalline. Lorsque la largeur du fil devient inférieure à la taille des dendrites, nous avons montré qu'il existe une transition du processus de renversement de l'aimantation, de la croissance de dendrites vers la propagation d'une paroi magnétique unique qui renverse tout le fil. Au-delà, la diminution de la largeur du fil jusqu'à la taille caractéristique du désordre et/ou de la rugosité moyenne conduit au renforcement de la coercivité. Ceci conduit finalement dans les fils ultra-fins à un renversement consistant en un mélange de nucléation de domaines et de propagation de parois magnétiques. Dans la deuxième partie, nous rapportons l'utilisation de la magnétorésistance de Magnon (MMR), qui provient de la contribution des magnons à la résistivité, pour mesurer le renversement d'aimantation, dans des nanostructures avec aimantation perpendiculaire (FePt) ou planaire (NiFe). Nous avons montré que la MMR peut être utilisée pour détecter le retournement de l'aimantation dans les nanofils et nano-aimants, et en particulier pour détecter la position d'une paroi magnétique le long d'un nanofil fabriqués à partir d'une couche unique. Enfin, nous étudions dans une dernière partie la dynamique de dépiégeage de paroi magnétique sous champ et sous courant, dans les deux systèmes FePt et NiFe. Nous observons trois types de dépiégeage de paroi, qui dépendent de la nature des défauts ou de la géométrie de la constriction. L'analyse statistique du temps de piégeage montre que le processus de dépiégeage peut être décrit comme procédant d'un chemin simple, de chemins en série, ou de chemins alternatifs. En outre, l'effet du courant sur tous ces mécanismes de dépiégeage s'est révélé équivalent à l'effet du champ appliqué, ce qui permet de mesurer l'efficacité du transfer de spin dans ces systèmes. Keywords: Magnetization reversal, magnon magnetoresistance, domain wall, spins transfer torque.

In the thesis at hand, different concepts of magnetic recording were investigated both from an experimental and theoretical point of view. On the one hand, micromagnetic simulations of bit patterned media were performed examining the influence of magnetic and geometrical parameters on the magnetization reversal mechanism of the bit array. In this regard, the recording concept called exchange coupled composite (ECC) media was applied in combination with bit patterned media (BPM). It was demonstrated that ECC/BPM is superior in terms of narrowing the SFD which is vital for the implementation of BPM as a recording scheme in magnetic data storage deviced. Moreover, the stability of the magnetic state was calculated for single nanomagnets using the nudged elastic band algorithm. It was found out that the magnetic and geometrical properties have a severe influence on both, the energy barrier for magnetization reversal and the magnetization reversal process of the single nanomagnets. On the other hand, experimental studies of granular CoCrPt:SiO2 films deposited on self-assembled arrays of SiO2 nanoparticles with a size from 10 nm to 330 nm have been carried out, showing a distinct size-dependence of the coercive field and remanent magnetization with changing nanoparticle size. Moreover, these films have been irradiated with Co+ ions with different fluences, resulting in a change of the magnetic properties of the films due to both a change of the intergranular exchange coupling of the film and a degredation of the magnetic layers at higher irradiation fluences.

[abstract] In the process of nucleation, the decay of a metastable state is initiated by the formation of a spatially localised region called a nucleus of critical size. In many realistic situations nucleation is initiated at an impurity or defect; such as a dust particle, an irregularity in a sample, or a crack in the wall of a container. The aim of this thesis is to identify and understand the fundamental changes different types of defect make to nucleation by studying a one-dimensional continuum model used to describe solitons. A well established theory due to Langer is extended to calculate the rate of decay of a metastable state due to the nucleation of solitons at defects. Results are used to find the rate of thermally activated magnetisation reversal for a ferromagnetic nanowire with defects in the uniaxial anisotropy. Defects which are narrower than the soliton width (point-like defects) and wider than the soliton width (step defects) are both modelled. An attractive defect breaks the translational symmetry of a soliton and leads to pinning. The pinning of solitons is found to reduce the activation energy required for nucleation, reduce the critical field above which a metastable state becomes unstable, alter the mechanism by which a metastable state decays, and modify the prefactor for the rate of decay. Changes to the prefactor are interpreted in terms of entropy and the dynamics of metastable decay when a defect is present.

Le contrôle de l’aimantation sans application de champ magnétique externe est un domaine de recherche en plein essor, étant prometteur pour les applications technologiques d’enregistrement magnétique et de spintronique. En 2007, Stanciu et al. ont découvert la possibilité de retourner l’aimantation dans un film fait d’alliage ferrimagnétique de GdFeCo en utilisant des impulsions laser femtoseconde. Longtemps cantonné aux alliages de GdFeCo, ce retournement tout-optique s’avère un phénomène plus général, puisqu’il a été mesuré plus récemment dans une large variété de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. Cette découverte a ainsi ouvert la voie à l’intégration de l’écriture tout-optique dans l’industrie des mémoires magnétiques. Néanmoins, l’ensemble des modèles théoriques expliquant le retournement tout-optique dans le GdFeCo ne semblent pas s’appliquer aux autres matériaux magnétiques, mettant ainsi en question l’unicité de l’origine microscopique de ce phénomène. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux impulsions laser femtoseconde des alliages ferrimagnétiques et des multicouches ferromagnétiques, dans l'objectif d'élucider divers aspects du mécanisme du retournement optique. Nous avons élucidé expérimentalement les paramètres magnétiques gouvernant le retournement tout-optique. Nous avons montré que l’observation du retournement tout-optique nécessite des domaines magnétiques plus grands que la taille du faisceau laser pendant le processus de refroidissement, un critère qui est commun à la fois aux matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. En outre, nous nous sommes intéressés à l’intégration du retournement tout-optique dans des dispositifs de spintronique. Grâce à une caractérisation temporelle de l’aimantation dans des croix de Hall via l’effet Hall extraordinaire, nous avons distingué entre deux types de mécanismes du retournement optique. Le premier type est un retournement purement thermique obtenu avec une impulsion unique dans les alliages ferrimagnétiques de GdFeCo, tandis que le deuxième type est un retournement cumulative et à deux régimes dans les alliages ferrimagnétiques de TbCo et les multicouches ferromagnétiques de Co/Pt. Ce dernier consiste en une formation indépendante de l’hélicité de multidomaines magnétiques suivie d'une ré-aimantation dépendante de l'hélicité sur plusieurs dizaines de millisecondes. / The control of magnetization without external magnetic fields is an emergent field of research due to the prospect of impacting many technological applications such as magnetic recording and spintronics. In 2007, Stanciu et al. discovered an intriguing new possibility to switch magnetization in a ferrimagnetic GdFeCo alloy film using femtosecond laser pulses. This all-optical switching of magnetization had long been restricted to GdFeCo alloys, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic and ferromagnetic materials. This discovery paved the way for an integration of the all-optical writing in storage industries. Nevertheless, the theoretical models explaining the switching in GdFeCo alloys films do not appear to apply in the other materials, thus questioning the uniqueness of the microscopic origin of all-optical switching. In this thesis, we have investigated the response of femtosecond laser pulses in ferrimagnetic alloys and ferromagnetic multilayers to the action of femtosecond laser pulses, in order to elucidate several aspects of the all-optical switching mechanism. We have experimentally studied the magnetic parameters governing the all-optical switching. We showed that the observation of all-optical switching requires magnetic domains larger than the laser spot size during the cooling process; such a criterion is common for both ferrimagnets and ferromagnets. Furthermore, we have investigated the integration of all-optical switching in spintronic devices via the anomalous Hall effect. Through a time-dependent electrical investigation of the magnetization in Hall crosses, we distinguished between two types of all-optical switching mechanisms. The first type is the single-pulse helicity-independent switching in ferrimagnetic GdFeCo alloy films as shown in previous studies, whereas the second is a two regimes helicity-dependent switching in both ferrimagnetic TbCo alloys and ferromagnetic Co/Pt multilayers. The latter consists in a step-like helicity-independent multiple-domain formation followed by a helicity-dependent remagnetization on several tens of milliseconds.

In the thesis at hand, different concepts of magnetic recording were investigated both from an experimental and theoretical point of view. On the one hand, micromagnetic simulations of bit patterned media were performed examining the influence of magnetic and geometrical parameters on the magnetization reversal mechanism of the bit array. In this regard, the recording concept called exchange coupled composite (ECC) media was applied in combination with bit patterned media (BPM). It was demonstrated that ECC/BPM is superior in terms of narrowing the SFD which is vital for the implementation of BPM as a recording scheme in magnetic data storage deviced. Moreover, the stability of the magnetic state was calculated for single nanomagnets using the nudged elastic band algorithm. It was found out that the magnetic and geometrical properties have a severe influence on both, the energy barrier for magnetization reversal and the magnetization reversal process of the single nanomagnets. On the other hand, experimental studies of granular CoCrPt:SiO2 films deposited on self-assembled arrays of SiO2 nanoparticles with a size from 10 nm to 330 nm have been carried out, showing a distinct size-dependence of the coercive field and remanent magnetization with changing nanoparticle size. Moreover, these films have been irradiated with Co+ ions with different fluences, resulting in a change of the magnetic properties of the films due to both a change of the intergranular exchange coupling of the film and a degredation of the magnetic layers at higher irradiation fluences.

Pour des applications technologiques d’enregistrement magnétique de l’information à haute densité et vitesse d’écriture et de lecture ultra-rapide, les chercheurs se sont penchés vers des méthodes de manipulation de l’aimantation sans application de champ magnétique externe. Il a été découvert qu’il était possible de renverser de manière déterministe l’aimantation de plusieurs matériaux ferri- et ferro-magnétiques à l’aide uniquement d’impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Ce retournement tout-optique s’est avéré être un processus cumulatif nécessitant plusieurs impulsions ultracourtes dans les matériaux ferromagnétiques. Notamment dans les multicouches (Co/Pt), le retournement tout-optique se fait en deux étapes : une désaimantation indépendamment de l’hélicité suivie d’une ré-aimantation dans une direction ou l’autre selon l’hélicité. Pour autant, le mécanisme à l’origine du rétablissement de l’ordre magnétique n’a pas été étudié jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous avons étudié le mécanisme de renversement de l’aimantation dans les couches ferromagnétiques résultant de l’excitation par impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Pour cela, nous étions intéressé par la réponse d’une paroi de domaine dans les couches minces de Pt/Co/Pt à la suite d’une excitation laser et en fonction de la polarisation de la lumière. Nous avons démontré la possibilité d’induire un déplacement tout-optique et déterministe d’une paroi de domaine. Nous montrons que la propagation de la paroi résulte de la compétition entre trois contributions : le gradient de température dû aux effets de chauffage par le laser, l’effet de l’hélicité de la lumière et les effets de piégeages de la paroi. Par ailleurs, par mesures expérimentales du dichroïsme circulaire, nous excluons un mécanisme purement thermique du déplacement de paroi. Ainsi nous confirmons que le retournement tout-optique des couches ferromagnétiques se fait par une nucléation suivie d’une ré-aimantation par propagation déterministe des parois de domaines selon l’hélicité. De plus, nous avons exploré la possibilité d’utiliser le retournement tout-optique dans des dispositifs spintroniques pour l’enregistrement de l’information à haute densité. Pour se faire, il est nécessaire d’étudier les effets de tailles du retournement lorsque le matériau est structuré en îlots à l’échelle du micro- ou nanomètre. Nous avons montré qu’un plus grand nombre d’impulsions laser est nécessaire afin de renverser l’aimantation de micro-disques comparés à la couche continue ferromagnétique. Il en résulte que le champ dipolaire aide le renversement de l’aimantation dans les couches continues rendant ainsi le retournement tout-optique énergétiquement plus favorable / Over the past decade, the demand for an even higher capacity to store data has been gradually increasing. To achieve ultrafast and ultrahigh density magnetic data storage, low-power methods to manipulate the magnetization without applying an external magnetic field has attracted growing attention. The possibility to deterministically reverse the magnetization with only circularly polarized light was evidenced in multiple ferri- and ferro-magnetic materials. This phenomenon was called helicity-dependent all-optical switching (HD-AOS). In ferromagnets, it was demonstrated that HD-AOS was a cumulative and multishot process with a helicity-independent demagnetization followed by a helicity-dependent magnetization recovery. Yet, the microscopic mechanism of this helicity-dependent remagnetization remained highly debated. In this thesis, we investigated the magnetization reversal mechanism of all-optical switching in ferromagnetic materials. To explore a potential switching process through domain nucleation and domain wall (DW) propagation, we studied the response of a DW upon femto- or pico-second laser irradiation in Co/Pt thin films that exhibit HD-AOS. We reported helicity-dependent all-optical domain wall motion. We demonstrated that it results from the balance of three contributions: the temperature gradient due to the laser heating, the helicity effect and the pinning effects. By measuring the magnetic circular dichroism, a purely thermal mechanism of the laser-induced DW motion appears to be excluded. Furthermore, we examined the size effects in AOS in Co/Pt films patterned into microdots with a diameter between 10 and 3 μm. This allowed us to explore the role of the dipolar field in the switching mechanism. We discovered that a larger number of laser pulses was required to reverse the magnetization of a microdot compared to the continuous film. This indicated that the dipolar field actually eases the magnetization reversal in the full film. Thus, AOS is less energy-efficient in patterned films, hence making Pt/Co/Pt multilayers not an ideal candidate for integrating AOS in spintronic devices

Les processus d'aimantation dans des aimants de type NdFeB ont été étudiés dans le cadre de cette thèse, sur la base de mesures d'aimantation macroscopiques et de caractérisations locales (MFM). Deux types d'échantillons ont été analysés : des aimants massifs dont les propriétés excellentes résultent d'un processus d'infiltration de NdCu le long des joints de grain (échantillons fournis par Toyota Motor Corporation) et des échantillons sous forme de couches épaisses, dont les microstructures, et, de ce fait les propriétés magnétiques, diffèrent. La variation thermique du champ coercitif et celle du volume d'activation ont été analysées dans le cadre de deux modèles, respectivement dénommé micromagnétique et global. Les valeurs déduites des deux paramètres principaux caractérisant la coercitivité (N représentant les effets du champ démagnétisant et α reliant le champ coercitif aux propriétés magnétiques intrinsèques de la phase dure) indiquent que dans les aimants massifs les différences de coercitivité entre échantillons sont dues pour l'essentiel à la variation de N alors que dans les films, c'est la variation du paramètre α qui joue le rôle principal. Le volume d'activation à une température donnée, dérivé de mesures de trainage magnétique, a des valeurs proches pour tous les échantillons massifs. Au contraire, il varie d'un échantillon à l'autre dans le cas des films : plus le champ coercitif est fort, plus petit est le volume d'activation. Une conclusion générale de cette étude est que les propriétés magnétiques au sein du volume d'activation sont proches de celles de la phase dure Nd2Fe14B. Le lien entre microstructure et coercivité a été examiné dans les films épais par microscopie de force magnétique (MFM). Des observations de films dans différents états rémanents le long du cycle d'hystérésis ont été réalisées. Des « domaines d'interactions » ont été révélés dans les films de faible coercitivté. Dans de tels films, comme dans ceux de coercitivité moyenne, le renversement d'aimantation est dominé par la propagation de domaines, alors que dans les films de plus forte coercitivité, la nucléation suivie de la propagation de domaines d'orientation inverse à celle de l'aimantation principale dominent. / Magnetization reversal in NdFeB-type permanent magnets was studied in this thesis, based on both global (magnetometry) and local (magnetic force microscopy) experimental techniques. Two types of samples were analyzed: bulk magnets of which magnetic properties are greatly improved as a result of NdCu infiltration along the grain boundaries (samples provided by Toyota Motor Corporation) and thick film magnets with different microstructures and thus different coercive fields. The temperature dependence of the coercive field and that of the activation volume were analyzed in the framework of two models: the micromagnetic and the global model. The derived values of the two main parameters characterizing coercivity (N representing demagnetizing field effects and α linking the coercive field to the intrinsic magnetic properties of the hard phase) indicate that, in bulk magnets, the difference in coercivity between different samples is related mainly to N whereas in films the parameter alfa plays the leading role. The activation volume derived from magnetic after effect measurements is similar for all bulk samples at a given temperature. On the opposite, it varies in the case of films : the higher the coercive field, the smaller the activation volume. Altogether, it is concluded that the magnetic properties within the activation volume are close to those of the main phase. The link between microstructure and coercivity was studied in thick films, using magnetic force microscopy. Imaging of films that present different microstructures was performed in different remanent states along the hysteresis cycle. Interaction domains were observed in the case of films with lower coercive field. In such low coercivity films, as well as in medium coercivity ones, magnetization reversal is dominated by domain wall propagation, instead of nucleation + propagation in high coercivity films.

In der vorliegenden Arbeit wurden die mikromagnetische Struktur sowie das Ummagnetisierungsverhalten epitaktisch gewachsener MnAs Filme auf dem Substrat GaAs untersucht. Im Mittelpunkt steht die mikromagnetischen Struktur von anisotrop erspannten MnAs Filmen auf GaAs(001). Die Verspannung führt zur selbstorganisierten Anordnung ferromagnetischer Streifen. Ihre Domänenstruktur wurde mittels MFM (magnetischer Kraftmikroskopie) bestimmt und mit den Resultaten der XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy) verglichen. Um eine vollständige Charakterisierung der mikromagnetischen Eigenschaften der Streifenstruktur zu erreichen, wurden die MFM Experimente in einem äusseren Magnetfeld durchgeführt. Die Beantwortung der zentralen Frage nach der Domänenstruktur ist mit der Entwicklung eines mikromagnetischen Simulators für dreidimensionale magnetische Strukturen auf mesoskopischer Skala gelungen. Die Stabilität der dreidimensionalen mikromagnetischen Struktur hängt von den Eigenschaften der selbstorganisierten Streifenstruktur ab, d.h. sowohl von der Filmdicke als auch vom Verhältnis ihrer Breite zur Filmdicke - und damit der Temperatur. Durch die Erkenntnis, dass eine magnetische Struktur in der Tiefe des Streifens vorhanden ist, können die verbleibenden Unterschiede in den XMCDPEEM- und MFM-Resultaten erklärt werden. Durch die Simulationsergebnisse in Kombination mit den Experimenten wird eine widerspruchsfreie Deutung der mikromagnetischen Struktur sowie deren Ummagnetisierungsverhalten ermöglicht. Zudem wird die mikromagnetische Struktur von MnAs auf GaAs(111) simuliert und damit das Verständnis der mikromagnetischen Strukturen auf alle vorhandenen Substratorientierungen vervollständigt. / In the present thesis the micromagnetic structure, as well as the magnetization reversal, of epitaxial MnAs films on GaAs substrates are studied. The investigation is focused on the micromagnetic structure of anisotropically strained MnAs films on GaAs(001). The strain originates a selforganized array of ferromagnetic stripes. The magnetic domains were investigated using MFM (magnetic force microscopy) and the results were compared with XMCDPEEM (X-ray magnetic circular dichroism photoemission electron microscopy). To completely characterize the micromagnetic properties of the stripe structure, MFM experiments were performed in the presence of an external field. To unambiguously determine the domain structure a three-dimensional micromagnetic simulator was developed capable to calculate magnetic structures with mesoscopic dimensions. The stability of the three-dimensional micromagnetic structure depends on the properties of the selforganized stripe structure, i.e., on the film thickness as well as on the ratio of the stipe width to thickness - and thus the temperature. Taking into account the magnetization distribution in-depth, the remaining differences between the XMCDPEEM and the MFM results can be explained by the disturbing effect of the MFM tip. The results of the micromagnetic simulations, in combination with the experimental results, allow for a determination of the micromagnetic structure in an applied field throughout the phase coexistence regime. Moreover, the micromagnetic structure of MnAs films on GaAs(111) is simulated and thus the understanding of the micromagnetic properties have been extended on all substrate orientations.

Dans la première partie de cette thèse, nous étudions le renversement de l'aimantation de nanofils d'alliage FePt à forte anisotropie magnétocristalline. Lorsque la largeur du fil devient inférieure à la taille des dendrites, nous avons montré qu'il existe une transition du processus de renversement de l'aimantation, de la croissance de dendrites vers la propagation d'une paroi magnétique unique qui renverse tout le fil. Au-delà, la diminution de la largeur du fil jusqu'à la taille caractéristique du désordre et/ou de la rugosité moyenne conduit au renforcement de la coercivité. Ceci conduit finalement dans les fils ultra-fins à un renversement consistant en un mélange de nucléation de domaines et de propagation de parois magnétiques. Dans la deuxième partie, nous rapportons l'utilisation de la magnétorésistance de Magnon (MMR), qui provient de la contribution des magnons à la résistivité, pour mesurer le renversement d'aimantation, dans des nanostructures avec aimantation perpendiculaire (FePt) ou planaire (NiFe). Nous avons montré que la MMR peut être utilisée pour détecter le retournement de l'aimantation dans les nanofils et nano-aimants, et en particulier pour détecter la position d'une paroi magnétique le long d'un nanofil fabriqués à partir d'une couche unique. Enfin, nous étudions dans une dernière partie la dynamique de dépiégeage de paroi magnétique sous champ et sous courant, dans les deux systèmes FePt et NiFe. Nous observons trois types de dépiégeage de paroi, qui dépendent de la nature des défauts ou de la géométrie de la constriction. L'analyse statistique du temps de piégeage montre que le processus de dépiégeage peut être décrit comme procédant d'un chemin simple, de chemins en série, ou de chemins alternatifs. En outre, l'effet du courant sur tous ces mécanismes de dépiégeage s'est révélé équivalent à l'effet du champ appliqué, ce qui permet de mesurer l'efficacité du transfer de spin dans ces systèmes. / In the first part of this thesis, we study the magnetization reversal process of FePt nanowires with high magnetocrystalline anisotropy. When reducing the wire width below the mean dendrite width, the magnetization reversal favors a transition from the dendrite growth to the propagation of a single domain wall (DW). Further decreasing of the width towards the disorder length and/or the mean edge roughness leads to a large increase of coercivity, which finally results in a mix of DW propagation and nucleation in ultra-narrow wires. The second part focuses on the use of Magnon magnetoresistance (MMR), i.e., the magnon contribution to the resistivity, to study the magnetization reversal in nanostructures with either perpendicular (FePt) or planar magnetization (NiFe). We showed that MMR can be used in nanowires and nanomagnets, in particular to detect DW position in nanowires processed in a single layer. Finally, the dynamic of DW depinning under field and current in both FePt and NiFe systems has been studied. We observe three different modes of DW depinning, which depend on the nature of defects, or on the geometry of the constriction. Statistical analysis of the pinning time indeed shows that the depinning path can be described as simple path, serial paths or alternative paths. Additionally, the effect of DC current on all depinning mechanisms is found to be equivalent to the effect of applied field which, allow measuring the spin transfer efficiency in these systems.