Récemment, les études des propriétés de vortex Abrikosov dans des systèmes fortement anisotropes et magnétiques ont été stimulées par la découverte des supraconducteurs à base de fer et des supraconducteurs ferromagnétiques.Dans cette thèse nous étudions la statique et la dynamique de vortex dans ces systèmes. D’abord, le problème de l'interaction de vortex avec un petit défaut a été examiné dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau. Le potentiel de pinning pour une cavité cylindrique elliptique a été calculé. D'autre part, la conductivité d'un supraconducteur anisotrope à l'état mixte a été analysée en détail dans le cadre de la théorie de Ginzburg-Landau dépendant du temps.Une partie significative de la thèse est consacrée à l'étude de l'interaction entre lesondes de spin (magnons) et vortex dans les supraconducteurs ferromagnétiques.Nous avons démontré que le spectre de magnon acquiert une structure de bande en présence d'un réseau de vortex idéal. En utilisant les équations phénoménologiques de London et de Landau-Lifshitz-Gilbert, nous avons étudié les réponses ac et dc de vortex dans les supraconducteurs ferromagnétiques. Enfin, nous avons examiné l'état de vortex dans des structures hybrides supraconducteur(S)-ferromagnétique(F)(par exemple, super-réseaux FS) avec une forte dispersion spatiale de la susceptibilité magnétique. Dans ces systèmes l'électrodynamique supraconductrice peut être fortement non locale, qui mène à l'attraction des vortex et à une transition de phase du premier ordre dans la phase de vortex. / Recently, the studies of the properties of Abrikosov vortices in strongly anisotropicand magnetic media have been stimulated by the discovery of the iron-based andferromagnetic superconductors. In this thesis an analysis of vortex statics anddynamics in such systems has been carried out. Firstly, the problem of vortex pinningon a small defect has been considered. Within the Ginzburg-Landau theory thepinning potential for a cavity in the form of an elliptical cylinder has been derived.Secondly, the flux-flow conductivity of an anisotropic superconductor has beenanalyzed in detail within the time-dependent Ginzburg-Landau theory.A significant part of the thesis is devoted to the study of interplay between spinwaves (magnons) and vortices in ferromagnetic superconductors. We havedemonstrated that the magnon spectrum acquires a Bloch-like band structure in thepresence of an ideal vortex lattice. Using the phenomenological London and Landau-Lifshitz-Gilbert equations, we studied the ac and dc responses of vortices inferromagnetic superconductors. Finally, we investigated the vortex state insuperconductor-ferromagnet (FS) hybrid structures (e. g., FS superlattices) withstrong spatial dispersion of the magnetic susceptibility. In such systems thesuperconducting electrodynamics may be strongly nonlocal, which leads to theattraction of vortices and to a first order phase transition at the lower critical field.

L'objectif de ce travail de thèse est de comprendre l'influence mutuelle entre le transport électronique et la dynamique de l'aimantation dans des nanostructures hybrides magnétiques métalliques. Dans une première partie on a développé un modèle théorique, basé sur la théorie des matrices aléatories, pour décrire au niveau microscopique le transport dépendent du spin dans une nanostructure hétérogène. Ce modèle, appélé CRMT (pour Continuous Random Matrix Theory) a ensuite été traduit dans un code de simulation qui permet de calculer les proprietés locales (couple de transfert de spin, accumulation de spin et courant de spin) et macroscopiques (résistance) du transport dans des conducteurs ohmiques. Le modèle a été validé en le comparant avec une théorie du transport quantique basée sur le calcul des fonctions de Green hors équilibre. Le couplage des ce deux modèles a permis d'effectuer une description multi­échelle du transport dans des nanostructures métalliques hybrides, où les parties ohmiques sont décrites par CRMT et les parties purement quantiques par le formalisme des fonctions de Green. CRMT a ensuite été incorporé dans un code de simulation micromagnétique, pour décrire de façon réaliste la texture spatiale de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin. L'originalité de cette approche réside dans la modélisation des mesures spectroscopiques utilisant une détection mécanique de la résonance ferromagnétique, conduites sur des oscillateurs à transport de spin. Ce travail a permis d'obtenir le diagramme de phase dynamique de l'aimantation, ainsi que les règles de sélection des ondes de spin et la compétition entre les modes propres du systeme lors du passage d'un courant continu à travers la multicouche, en accord partiel avec les données experimentales

Ce travail a porté sur les propriétés d'éléments minces de métaux ferromagnétiques étudiées à petite échelle (µm) et à<br />haute fréquence (GHz). Dans ce but, un spectromètre hyperfréquence à antennes micrométriques a été mis au point. Cet<br />instrument a été utilisé pour explorer deux problématiques différentes. Pour un film continu, d'abord, nous avons réalisé des<br />expériences d'émission-réception d'ondes de spin. Ces résultats nous ont permis de caractériser les processus de<br />transduction et de relaxation d'ondes magnétostatiques progressives. Nous avons également étudié des rubans de largeur<br />micrométrique, pour lesquels l'équilibre lui-même est inhomogène. Nous avons interprété leur réponse hyperfréquence en<br />termes de transitions de phase micromagnétiques et en termes de confinement d'ondes de spin.

Le développement des lasers impulsionnels a permis l’émergence de l’étude de la dynamique de l’aimantation dans le domaine temporel (fs-ns) par des techniques optiques. Dans les couches minces ferromagnétiques présentant une faible absorption optique les mécanismes de couplage de la lumière avec les propriétés magnétiques permettant l’excitation de la précession de l’aimantation et sa détection ne sont qu’imparfaitement connus. Pour développer leur compréhension il est nécessaire de faire varier les paramètres magnétiques. Les alliages semi-conducteurs ferromagnétiques sont pour cela des matériaux de choix du fait de leurs propriétés magnétiques aisément ajustables grâce au couplage entre les propriétés semi-conductrices et magnétiques. Les conditions pour une excitation optimale ont été précisées. L’excitation par une variation thermique transitoire des constantes d’anisotropie a été quantifiée. Le rôle de l’absorption et du déphasage optique dans la détection a été établi. L’observation de plusieurs ondes de spin a permis la détermination de la constante d’échange en fonction de la concentration en phosphore. J’ai montré que celle-ci variait peu, contrairement aux prédictions théoriques. / Development of impulsional laser enhanced the study of the magnetization dynamic in the temporal domain (fs-ns) with optical techniques. In thin ferromagnetic films with a weak optical absorption, excitation and optical mechanisms are not yet fully understood. To increase our understanding, variations of magnetic parameters are required. To that end, the magnetic semiconductor like (Ga,Mn)(As,P) are a good choice due to their magnetic properties easily adjustable thanks to the coupling between magnetic and semiconductor properties. In this thesis, conditions for optimal excitations were established. Supposing a thermal excitation origin, we assessed the transient change of temperature and anisotropy constant. I also established the role of the optical absorption and dephasing due to the finite magnetic layer thickness in the spin-waves detection process. The observation of several spin-waves gave me the opportunity to assess the spin-stiffness constant as a function of phosphorus. On the contrary of theoretical prediction, I showed that the spin-stiffness hardly vary with the phosphorus concentration.

Ce manuscrit présente l'étude d'une famille d'oxydes de chrome dans laquelle les composés peuvent être synthétisés selon deux phases qui présentent deux topologies différentes : les phases α-ACr₂O₄ (A=Sr, Ca, Ba) et β-CaCr₂O₄. Dans cette famille, les ions chrome portent un spin S=3/2 et forment soit des chaînes triangulaires, soit des plans triangulaires. Notre étude a donc été menée en deux parties : l'étude d'un système magnétique quasi-unidimensionnel et l'étude d'un système quasi-bidimensionnel.La première étude a été consacrée au composé β-CaCr₂O₄. Ce composé présente à basse température un comportement classique caractérisé par un ordre magnétique à longue portée associé à des corrélations 3D et au-dessus de la température d'ordre un comportement quantique caractéristique de chaînes de spins quasi-unidimensionnelles. L'objet de notre étude a donc été de mieux comprendre le mécanisme qui permet la transition d'un régime classique vers un régime quantique dans ce composé. Dans ce contexte nous avons exploré les effets de topologie et de contrainte structurale sur les propriétés magnétiques du composé, à travers l’étude de la série de composés substitués β-CaCr₂-xScxO₄ ainsi qu’une étude sur les effets de la pression. Ce travail a été mis en parallèle avec des calculs théoriques sur les chaînes de spins J₁-J₂.La seconde partie concerne le composé α-SrCr₂O₄. Notamment, l’étude par diffusion des neutrons de ce composé a mis en évidence l’influence de la dimension 2D ainsi que la distorsion du réseau triangulaire sur l’état fondamental du système et son comportement dynamique. / This thesis focuses on the study of a chromium oxide family in which the samples are synthsized into two forms with two different topologies : α-ACr₂O₄ (A=Sr, Ca, Ba) and β-CaCr₂O₄. In these compounds, the chromium ions carry a spin 3/2 and either form triangular spin chains or two dimensional triangular lattices. Our study was hence divided in two parts : the study of a quasi one-dimensional and of a two-dimensional antiferromagnet.The first part was dedicated to the β-CaCr₂O₄ compound. This system exhibits a classical behavior at low temperature associated to a three-dimensional long-range magnetic order and quantum properties typical of a spin chain above the Néel temperature.The aim o four study was therefore to understand the mecanism involved in this classical to quantum physics crossover.In this context, we explored the topological and structural effects on the magnetic properties of this system, through the study of the series of substituted compounds β-CaCr₂-xScxO₄, as well as a study of β-CaCr₂O₄ under pressure. This work was also supported by theoretical calculations on frustrated J₁-J₂ spin chains.The second part of this thesis focused on α-SrCr₂O₄. In particular, neutron scattering measurements on this compound highlighted the effects of the 2D character and the distortion of the triangular lattice on the ground state and dynamical properties in this system.

Ce manuscrit présente une étude des composés multiferroïques RMnO$_3$ hexagonaux (R=Ho, Y, Yb, In, Sc). L'accent est mis sur les corrélations spin/spin statiques et dynamiques et sur le couplage entre degrés de liberté de spin et de réseau. Cette étude s'appuie sur de nombreux résultats de diffusion de neutrons aussi bien sur poudres que sur monocristaux. La diffraction permet de déterminer précisément les positions atomiques et la structure magnétique. Nous avons pu développer un modèle rendant compte de la très grande variété de comportements observés dans ces systèmes en nous basant sur la frustration des interactions d'échange interplans. La frustration des interactions magnétiques n'est pas simplement due au réseau triangulaire de Mn mais aussi aux interactions entre Mn de plans adjacents. Cette frustration est directement controlée par la position du Mn par rapport à une valeur seuil $x=1/3$ dans la maille élémentaire. Les mesures de diffusion inélastiques ont permis de valider ce modèle en vérifiant certaines prédictions à partir de mesures de dispersion d'onde de spins et d'un calcul numérique solide (signe de la constante d'échange interplan, transitions de réorientation). Elles ont également confirmé le rôle primordial des interactions RMn sur la dynamique de spin des Mn. Enfin des mesures complexes de diffusion inélastique de neutrons polarisés ont mis en évidence une hybridation entre excitations de réseau et de spin. Un modèle basé sur l'interaction de Dzyaloshiinski-Moriya est proposé pour rendre compte des observations expérimentales. Ce mode hybride est a rapprocher de l'électromagnon observé dans de nombreux systèmes, et semble être une composante inhérente à l'existence de la multiferroïcité.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et -q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM.

Cette thèse porte sur l'étude des ondes de spin dans des puits quantiques CdMnTe dopés n, par rotation Kerr résolue en temps (TRKR) et par mélange à quatre ondes (FWM). Nous avons étudié trois échantillons de haute mobilité et de caractéristiques différentes.La technique TRKR donne accès uniquement aux excitations de vecteur d'onde nul, dans notre cas l'onde spin-flip en q=0. Nous avons étudié l'anticroisement qui apparait entre l'onde spin-flip et l'excitation spin-flip des ions manganèse. Nous avons étudié la variation du gap, et donc de l'énergie de couplage, entre ces modes en fonction de la puissance d'excitation et du champ magnétique. En particulier nous avons étendu les mesures des modes mixtes à plus basse concentration en Mn (jusqu'à 0.07%) et contrairement à ce qui était attendu, nous avons trouvé que le régime de couplage fort persiste à cette concentration.Nous nous sommes ensuite intéressés à la détermination de la polarisation en spin ζ du gaz d'électrons bidimensionnel, qui peut être déduite de l'énergie de couplage entre les modes mixtes. Nous avons trouvé que la polarisation mesurée par cette méthode excède la polarisation théorique calculée en prenant en compte le renforcement de la susceptibilité par les effets à N corps. Nous avons également mesuré les temps de relaxation des électrons confinés dans le puits quantique, et nous avons montré l'influence de l'échauffement de l'échantillon par le laser sur le temps de relaxation de spin des électrons.Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons étudié par FWM l'amortissement et la dispersion des ondes de spin de vecteur d'onde non nul pour l'un de nos échantillons. Nous avons démontré qu'on peut effectivement générer les ondes de spin en excitation femtoseconde, et les détecter en FWM. Nous avons trouvé que leur dispersion est plus faible que celle observée dans les expériences de Raman. Cette faible dispersion pourrait être imputable à la forte densité d'excitation utilisée dans les expériences de FWM (typiquement trois à quatre ordres de grandeur supérieurs à celle du Raman), et/ou au fait que deux ondes de vecteur d'ondes q et –q, ayant des dispersions différentes, sont sondées simultanément en FWM. / This thesis focuses on the study of spin waves in n-doped CdMnTe quantum wells using respectively time-resolved Kerr rotation (TRKR) and four-wave mixing (FWM) techniques. We studied three high mobility samples with different characteristics.The TRKR technique gives access only to zero wave vector excitations, in our case the spin- flip wave q = 0 . We studied the anticrossing that appears between the spin -flip wave and the manganese spin -flip excitation. We studied the gap variation energy between these modes as function on the power excitation and the magnetic field. In particular, we have extended the measurements of mixed modes at lower Mn concentration (up 0.07 %) and contrary to what were expected; we found that the strong coupling regime persists at this concentration.We are then interested in determining the two dimensional electron gas spin polarization ζ, which can be deduced from the energy coupling between the mixed modes. We found that the measured polarization exceeds the theoretical polarization calculated taking into account the increased susceptibility by many-body effects. We also measured the electron spin relaxation time and we have shown that it is influenced by thermal effects inherent to optical pump-probe experiments on this time.In the second part of this thesis, we studied by FWM the damping and the dispersion of the non-zero wave vector spin waves for one of our samples. We have demonstrated that we can actually generate spin waves in femtosecond excitation and deted them by FWM. We found that the dispersion is lower than that observed in the Raman experiments. This low dispersion may be due to the strong excitation density used in the FWM experiments (typically three to four orders of magnitude higher than the Raman ones) and / or the fact that two waves of wave vector q and - q, having different dispersions are simultaneously probed in FWM .

Cette thèse à pour objet l'étude expérimentale de la dynamiquede l'aimantation de disques de taille sub-micronique fait dematériau ferromagnétiques à faible amortissement . Pour cela,nous avons utilisé une technique spectroscopique extremementsensible qui sera préalablement présentée: la résonanceferromagnétique détéctée mécaniquement. Une premièrepartie est consacrée à la mesure des modes propres dans des disquesde NiMnSb dans leur état rémanent: le vortex. L'influence d'unchamp magnétique, aplliqué perpendiculairement, sur les ondes despin du vortex est détaillé. L'accent est ensuite mis surl'interaction du coeur de vortex avec ces ondes de spin, qui mèneà son retournement dynamique. Un cadre théorique de l'étatvortex est présenté, permettant de modéliser les mesuresexpérimentales. Dans une deuxième partie, le problème de ladynamique collective de plusieurs disques de FeV dont l'aimantation estsaturée perpendiculairement est étudié. La mesure des modescouplés par l'intéraction dipolaire dynamique y est présentée,associée à une modélisation théorique qui expliquequantitativement les résultats observés. / This thesis is aimed at studying experimentally the magnetisationdynamics of discs in the sub-micron range made of low dampingferromagnetic materials. For this purpose, an extremely sensitivetechnique has been used: the ferromagnetic resonance force microscopy. A firstpart is devoted to the measurement of the eigenmodes of NiMnSb discstaken in their remanent state: a vortex. The influence of aperpendicular magnetic field on the spin wave modes in the vortex state willbe detailled. Then, the coupling mechanism between the vortex core andthese spin wave, eventually leading to its dynamical reversal, ishighlighted. A theoretical framework of the vortex state is presented,allowing to model the experimental observations. In a second part,the problem of the collective magnetisation dynamics in several FeVdiscs is addressed. Measurements of the collective modes coupled bythe dynamical dipolar interaction are presented, associated with atheoretical modelisation which explain quantitatively the experimentalresults.

Le pavage de Penrose est une structure quasipériodique bidimensionnelle, utilisée dans la description des composés quasicristallins. Cette structure est parfaitement ordonnée, avec une symétrie de rotation cinq et elle est invariante sous un changement d'échelle par un facteur $\tau$ (le nombre d'or). On s'attend à ce que les propriétés d'un modèle d'antiferromagnétisme dans un tel système diffèrent nettement de celles des antiferromagnétiques périodiques. Nous avons étudié les propriétés d'un modèle d'Heisenberg sur le pavage de Penrose construit à partir de losanges, en utilisant une méthode de développement en ondes de spin. Les énergies et fonctions d'ondes des magnons (quantum d'une onde des spins) ont été étudiées dans le cadre d'une théorie linéarisée. A basse énergie, on trouve une loi de dispersion linéaire, comme dans d'autres antiferromagnetiques bipartites, avec une vitesse effective de l'onde de spin inférieure à celle d'un réseau carré équivalent. Les propriétés spatiales des modes propres ont été étudiées en détail. A basse énergie, nous trouvons que les états propres sont relativement étendus. Une analyse multifractale montre qu'ils sont de type “critique”, ayant une distribution d'exposants multifractaux. Aux énergies plus élevées, les états deviennent plus localisés, et, en fonction de l'énergie, l'amplitude de la fonction d'onde est non-nulle autour d'un sous-ensemble de sites d'une valeur de coordinence donnée. <br /><br />L'énergie de l'état fondamental de cette antiferromagnetique, et la distribution des aimantations locales dans cet état ont été calculés. Des projections dans l'espace perpendiculaire montrent la simplicité sous-jacente de ce état "complexe". Un simple modèle analytique, l'étoile de Heisenberg à deux niveaux, a été présenté pour expliquer de la distribution d'aimantation locales dans ce système antiferromagnétique.<br /><br />Dans une dernière partie, les effets de désordre de type “phason” sont considérés. Nous avons progressivement augmenté le désordre géometrique de la structure originale. Nous avons trouvé que l'etat fondamental conserve son ordre de Néel, mais que la forme de la distribution ainsi que la norme des aimantations sont modifiés. Nous montrons, à l'aide d'un développement en ondes des spin ainsi que par Quantum Monte Carlo, que l'aimantation alternée diminue exponentiellement vers une valeur asymptote en fonction du désordre. La distribution spatiale de magnetizations locales devient plus homogène par rapport à pavage parfait. La vitesse des ondes des spin augmente avec le désordre, et les singularités dans le spectre et les functions d'onde sont en partie lissées. Ces résultats sont comparés avec des résultats connus dans des systèmes désordonnés.