Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanent.

Cette thèse présente une étude de l'anisotropie magnétique de semiconducteurs ferromagnétiques en couches minces et du couplage magnétique dans des bicouches formées à partir de ces matériaux et de métaux ferromagnétiques. Je me suis focalisé sur deux systèmes distincts : des films minces de l'alliage quaternaire GaMnAsP et des bicouches : MnAs/GaMnAs. Dans ces systèmes, j'ai étudié l'influence sur les anisotropies magnétiques d'une part, de la déformation biaxiale induite par le désaccord de maille avec le substrat et d'autre part, de la concentration en trous. Ces études ont été menées principalement par résonance ferromagnétique, mesures d'aimantation par SQUID, ainsi que grâce à des mesures de transport et de diffraction de rayons X à haute résolution. Deux séries de films de GaMnAsP caractérisées par des concentrations en Mn de 7% et 10% ont été étudiées. Pour chaque série, la concentration en P a été variée sur une large gamme de 0 à 20%. Les forts dopages en P sont intéressants car le régime de conduction peut changer, passant de métallique à bande d'impuretés. Ceci induit de profondes modifications de tous les paramètres magnétiques pertinents. Nous avons étudié les variations d'anisotropie magnétique avec la concentration en P. Une réorientation de l'aimantation avec la température a pu être mise en évidence pour une concentration 6% P. Des mesures de RFM à haute fréquence ont permis d'étudier l'anisotropie magnétique de films de MnAs épitaxiés sur (111) et (100) GaAs. Un couplage d'échange ferromagnétique est mis en évidence pour les bicouches MnAs/GaMnAs. La relaxation de l'aimantation de ces systèmes a été étudiée via le facteur de Gilbert, déterminé à partir de l'étude de la largeur des résonances en fonction de la fréquence des microondes utilisées.

La spintronique a déjà permis plusieurs avancées majeures mais le problème de l'injection de spin s'oppose encore à son utilisation généralisée en microélectronique. Le concept de semi-conducteur magnétique dilué (DMS) a été envisagé comme solution, mais s'avère difficile à appliquer aux semi-conducteurs de type IV, dans lesquels les atomes magnétiques sont très peu solubles et forment des précipités. Nous nous sommes intéressé dans ce travail au système germanium manganèse, et à la structure de certains précipités particuliers, qui semblent cohérents avec la matrice de Ge, et dont les caractéristiques magnétiques, chimiques et structurales ne correspondent à aucun composé connu. Nous avons utilisé dans ce travail des outils simulation de type ab initio par l'approche DFT avec utilisation de pseudopotentiels PAW. Nous générons dans un premier temps des pseudopotentiels nécessaires pour le Ge et le Mn. Puis nous montrons grâce à une étude thermodynamique que les méthodes premier principe permettent de reproduire le diagramme de phase (x,T=0) du système Ge(x)Mn(1-x). Nous étudions ensuite les défauts ponctuels de Mn dans la matrice de Ge et leur possibles agglomérations, et montrons qu'une "condensation" de défauts sur le réseau diamant ne peut pas expliquer les observations expérimentales. Enfin, nous montrons que certains composés ordonnés dérivés de systèmes proches sont métastables dans GeMn, et cette fois compatibles avec les mesures. Grâce à une étude complète des interfaces avec le Ge diamant, nous parvenons à expliquer la stabilité de nanocolonnes riches en Mn (33%) dans une matrice de Ge pur. Nous comparons par ailleurs les propriétés simulées de nos composés à l'expérience : température de Curie, spectre XAS, mais aussi diffraction de rayon X et microscopie électronique à transmission (TEM).

L'injection de courant polarisé en spin dans les semi-conducteurs est un point-clef de la spintronique, discipline qui vise à utiliser le spin de l'électron comme degré de liberté en électronique. Ce travail de thèse étudie l'injection de spins depuis une électrode ferromagnétique à travers une barrière tunnel vers un semi-conducteur en absence de champ magnétique. La polarisation du courant injecté est détectée optiquement, ce qui impose que l'aimantation des électrodes soit perpendiculaire aux plans des électrodes. Ce travail s'articule donc en deux parties. La première section traite de l'élaboration d'hétérostructures oxyde/métal ferromagnétiques pour l'injection de spins dans le GaAs et le Si. Les croissances d'électrodes de MgO/FePt par épitaxie par jets moléculaires sur GaAs et de Al2O3/CoPt par pulvérisation cathodique sur Si sont décrites. L'étude des propriétés structurales et magnétiques et de transport de ces couches a ainsi permis de montrer la possibilité d'obtenir des films minces à aimantation perpendiculaire pour l'injection de spins sur plusieurs matériaux. La deuxième partie se focalise sur le transport polarisé en spin dans le Silicium. L'injection de courant polarisé dans ce matériau en absence de champ magnétique externe est ainsi démontrée pour la première fois par des mesures d'électroluminescence. L'analyse de la lumière émise par un puits quantique de SiGe inséré dans une diode de Silicium montre une polarisation optique de l'ordre de 3% liée à la polarisation en spin du courant injecté.

La spintronique moléculaire, domaine en pleine expansion, se propose de réunir les outils expéri- mentaux et théoriques propres à trois thématiques : le magnétisme moléculaire, l'électronique de spin, et l'électronique moléculaire. Le projet de ma thèse ne pouvait se réaliser sans la création préalable d'un transistor dont l'élé- ment central est une molécule unique. Cet objectif a été atteint grâce à l'utilisation de la technique d'électromigration, choix délicat puisque mis en œuvre dans un cryostat à dilution. Notre objectif était en effet de pouvoir effectuer des mesures à quelques dizaines de milliKelvins, et sous fort champ magnétique [0, ±9 T ]. A travers les expériences menées sur des molécules de fullerène, aussi appelées C60, nous avons étudié les interactions électroniques entre un objet de taille nanométrique et des électrodes métal- liques. La combinaison de mesures à très basse température et des propriétés des molécules (niveaux électroniques dégénérés, énergie de charge élevée) a permis d'observer une transition de phase quan- tique entre deux états magnétiques de symétries différentes. Nous avons également apporté de solides preuves expérimentales quant à l'observation d'un effet Kondo sous-écranté. La dernière partie de cette thèse a porté sur l'étude du transport électronique à travers l'aimant moléculaire N@C60. Celui-ci est constitué d'un atome d'azote placé à l'intérieur d'un fullerène. En effectuant différents types de spectroscopies magnétiques, nous avons quantifié les interactions entre cet atome et les électrons de conduction portés par la cage de C60.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) sont en passe de supplanter les autres formes de mémoires à accès aléatoire utilisant des états de charge électrique, et ce grâce à leurs nombreux avantages techniques : non-volatilité, rapidité, faible consommation énergétique, robustesse. Egalement, les MRAM sont prétendues insensibles aux rayonnements ionisants, ce qui n'a pas été vérifié expérimentalement jusqu'à présent. L'architecture actuelle des MRAM est basée sur l'utilisation de jonctions tunnel magnétiques (JTM). Ces MRAM peuvent présenter un inconvénient de taille, car elles sont susceptibles d'exhiber des erreurs d'adressage, en particulier lorsque l'intégration (la densité de points mémoire) est de plus en plus poussée. Le travail mené pendant cette thèse concerne ces deux points : - vérifier la fiabilité fonctionnelle des MRAM à base de JTM exposées aux rayonnements ionisants de haute énergie ; - étudier un alliage amorphe ferrimagnétique, le GdCo, susceptible d'entrer dans la composition de JTM et permettant de s'affranchir des éventuelles erreurs d'adressage par un processus d'inhibition thermique des points mémoire. Ces travaux de thèse ont démontré que les MRAM à base de JTM conservent pleinement leurs propriétés fonctionnelles lorsqu'elles sont soumises à un rayonnement ionisant intense, et que le GdCo est un matériau très intéressant du point de vue de la physique du solide et du magnétisme, que ses propriétés physiques sont très prometteuses quant à ses applications, et que son intégration dans une JTM réclame encore des évolutions technologiques.

Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des candidats prometteurs pour la réalisation de composants radiofréquence (RF) intégrés, du à leur taille nanométrique, l'importante gamme de fréquences de base qu'ils peuvent couvrir, ainsi qu'à leur accordabilité autour de ces fréquences de base. Le signal RF est obtenu grâce à l'effet de transfert de spin (STT) qui donne lieu à une oscillation non-linéaire de l'aimantation dans un élément magnétorésistif. Jusqu'ici, ces excitations ont été examinées dans le cadre d'une couche magnétique isolée, c'est-à-dire sans prendre en compte le couplage entre couches. Cependant, nombreux aspects du spectre d'excitation ne peuvent pas être expliqués si l'on considère une couche isolée. Dans cette thèse nous nous attacherons à répondre à la question importante du couplage dynamique entre couches magnétiques dans un nanopilier magnétorésistif, afin de développer une meilleure compréhension des spectres d'excitation, et en particulier la dépendance en courant et champ magnétique appliqué des caractéristiques du pic d'émission, telles que la largeur de raie et la fréquence. Une première étude est réalisée pour un système composé de deux couches ferromagnétiques, couplées entre elles par le couplage RKKY (ce système est appelé un ferrimagnétique synthétique (SyF)). Le couplage induit des différences importantes dans la dépendance en courant de la fréquence par rapport aux excitations d'une couche isolée. Ces différences sont expliquées par l'important couplage dynamique RKKY. Une seconde étude prend en considération une interaction plus complexe, ayant lieu dans un nano-pilier STNO standard basé sur jonctions tunnel ou vannes de spin. Ce dispositif est composé d'un SyF ainsi que d'une couche libre(FL) magnétique, séparés par une fine couche métallique ou isolante. Pour ce système, en plus du couplage dynamique RKKY propre au SyF, nous prenons en compte le couplage dynamique généré par le champ dipolaire ainsi que le spin-torque mutuel (MSTT) entre la couche libre et le SyF. Ce couplage multiple donne lieu à deux signatures distinctes. La première est l'apparition d'un " saut " dans le spectre d'excitation dû à l'hybridation des modes SyF and FL dans le régime atténué. Le second est dû à l'interaction entre les excitations en régime entretenu, éventuellement via leurs composantes harmoniques, avec les excitations en régime atténué. Cette interaction donne lieu à des discontinuités dans la dépendance fréquence - champ, ce lorsque les excitations FL sont prédominantes. Il est intéressant de noter que cela mène à des régions ou la largeur de raie est diminuée. De plus, lorsque les excitations SyF sont prédominantes, la largeur de raie est diminuée par rapport aux cas ou les excitations FL sont prédominantes. Partant de ces observations, nous proposons une structure plus complexe, où un seconde couche de type SyF remplace la couche libre. Les résultats obtenus par une combinaison d'expériences, de simulations numériques et d'analyse analytique, montrent le rôle important des interactions dynamiques dans un nano-pilier. Ils ouvrent de nouvelles voies pour la conception de configurations STNO qui mèneront à des améliorations des performances du signal ainsi synthétisé.

Un ordinateur quantique est un ordinateur formé de bits quantiques (qubits) qui tire profit des propriétés quantiques de la matière. Un grand intérêt est porté au développement d’un tel ordinateur depuis qu’il a été montré que le calcul quantique permettrait d’effectuer certains types de calculs exponentiellement plus rapidement qu’avec les meilleurs algorithmes connus sur un ordinateur classique. D’ailleurs, plusieurs algorithmes ont déjà été suggérés pour résoudre efficacement des problèmes tels que la factorisation de grands nombres premiers et la recherche dans des listes désordonnées. Avant d’en arriver à un ordinateur quantique fonctionnel, certains grands défis doivent être surmontés. Un de ces défis consiste à fabriquer des qubits ayant un temps d’opération nettement inférieur au temps de cohérence (temps durant lequel l’état du qubit est conservé). Cette condition est nécessaire pour parvenir à un calcul quantique fiable. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses recherches visent à augmenter le temps de cohérence en choisissant judicieusement les matériaux utilisés dans la fabrication des qubits en plus d’imaginer de nouvelles méthodes d’utiliser ces dispositifs pour diminuer la durée des opérations. Une manière simple d’implémenter un qubit est de piéger quelques électrons dans l’espace et d’utiliser l’état de spin de cet ensemble d’électrons pour encoder les états du qubit. Ce type de dispositif porte le nom de qubit de spin. Les boîtes quantiques (BQs) latérales fabriquées sur des substrats de GaAs/AlGaAs sont un exemple de qubit de spin et sont les dispositifs étudiés dans ce mémoire. En 2007, Pioro-Ladrière et al. ont suggéré de placer un microaimant à proximité d’une BQ pour créer un gradient de champ magnétique non-uniforme et permettre d’effectuer des rotations de spin à l’aide d’impulsions électriques rapides. Ce mémoire présente comment modifier la géométrie de ces microaimants pour obtenir un plus grand gradient de champ magnétique dans la BQ. Une nouvelle technique de contrôle de spin menant à des rotations de spin et de phase plus rapides sera aussi détaillée. Enfin, il sera montré que le département de physique de l’Université de Sherbrooke possède tous les outils nécessaires pour implémenter cette méthode.

Dans cette thèse, nous étudions le transport diffusif de la charge, du spin et de la chaleur dans les structures métalliques incluant des métaux ferromagnétiques. En particulier, nous nous sommes intéressés à la partie de ce transport dont la polarisation n'est pas colinéaire à l'aimantation ambiante.Par exemple un courant polarisé en spin arrivant sur une couche magnétique dont l'aimantation pointe dans une autre direction verra sa partie transverse (i.e. non colinéaire à l'aimantation) précesser et être absorbée par l'aimantation sur une distance de quelques nanomètres au plus. Nous présentons un état de l'art sur ces deux distances caractéristiques, de précession et d'absorption transverse. Nous montrons aussi que ce comportement a un impact majeur sur la dynamique, notamment des murs de domaines magnétiques "longs" (plus de dix nanomètres).Nous étudions aussi le torque de transfert de spin dans ces structures magnétiques. Cette étude a porté sur deux aspects majeurs. Tout d'abord l'amplitude du torque, pour savoir s'il est capable de démarrer une des dynamiques magnétiques connues : l'inversion magnétique, ou la précession en état stationnaire. Ensuite, la dépendance du torque avec l'angle relatif des aimantations : dans certains cas, une configuration non-colinéaire peut-être stabilisée. Deux sources d'énergies ont été considérées, une différence de potentiel, ou une différence de température (en incluant les effets thermoélectriques dépendant du spin).Toute cette étude est réalisée dans le cadre de notre théorie, la Continuous Random Matrix Theory, que nous présentons dans son intégralité, de son origine avec la théorie de scattering, jusqu'aux équations différentielles de diffusion, résultat majeur de cette thèse.Nous présentons aussi l'outil numérique basé sur cette théorie, grâce auquel nous avons effectué toutes nos simulations. Cet outil permet d'évaluer le transport diffusif dans les structures métalliques tridimensionnelles, en utilisant des paramètres matériaux facilement disponibles dans la littérature pour la plupart. / In this thesis we study the diffusive transport of the charge, spin and heat in metallic structures involving ferromagnets. In particular, we focused on the part of the transport which polarization is not collinear to the surrounding magnetization.For example, a spin-polarized current arriving on a magnetic layer with a magnetization pointing in another direction will have its transverse part (i.e. non-collinear to the magnetization) precess and be absorbed by the magnetization, over a distance of up to a few nanometers. We present a state-of-the-art collection of values for those two characteristic lengths, of precession and transverse absorption. We also show that this behavior as a tremendous impact over the dynamics, notably that of "long" magnetic domain walls (over ten nanometers).We also study the spin-transfer torque in those magnetic structures, and focus on two major aspects. First the amplitude of the torque, to know if it is strong enough to start one of the known dynamics: magnetic switching or steady-state precession. Second, the dependence of the torque with the relative angle between the magnetizations: in some cases, a non-collinear configuration may be stabilized. Two driving forces have been considered, a voltage bias or a temperature difference (by including spin-dependent thermoelectric effects).This whole study is performed within the framework of our theory, the Continuous Random Matrix Theory, that we present in its entirety, from its origin with the scattering theory, to the diffusion differential equations, one of the main results of this thesis.We also present the numerical tool we developed, based on this theory, which we used to perform all of our simulations. This tool allows for the evaluation of the diffusive transport in three-dimensional metallic structures, using (mostly) readily available material parameters.

Les purs courants de spin peuvent être créés dans des dispositifs latéraux, en utilisant des mesures non-locales dans des vannes de spin latérales, par l’effet Hall de spin ou encore des effets magnétocaloriques. Ils consistent en le flux d'électrons de spin-up dans une direction, et de spin-down dans la direction opposée, de sorte qu’il y ait un flux de moment angulaire sans flux net de charge. Ces propriétés de transport de spin sont étudiés dans des matériaux non-magnétiques, afin de limiter les effets joules ou les effets de champs Oersted, mais surtout pour permettre la création de dispositifs aux nouvelles fonctionnalités et principe de fonctionnement. En outre, l'absorption de courants de spin purs par un élément ferromagnétique est associé au mécanisme de transfert de spin et peuvent exciter des ondes de spin, induire des oscillations magnétiques conduisant à la commutation magnétique. Un sujet relativement indépendant, mais connexe est la manipulation de parois magnétiques (DWS) dans les nanostructures, qui soulève des questions fondamentales liées au mouvement de DW induit par courant, et sous-tend un certain nombre de technologies émergentes. Au cours de cette thèse, l'intention est d'explorer l'interaction entre les DWS et les courants de spin purs. L'idée principale est d'utiliser vannes de spin latérales pour créer et détecter les courants de spin, et des constrictions dans des nanofils de NiFe pour manipuler les DW, nous allons alors montrer comment ceci peut être utilisé pour générer depuis des DWS des courants de spin purs pour détecter efficacement l’effet Hall de spin. Réciproquement, les courants de spin ainsi généré peuvent être utilisés pour détecter très précisément la position ou la configuration micro-magnétique d'un DW. / The bulk effect of the interconversion between charge current and spin current is activated by spin Hall effect (SHE) and its inverse. It is vastly recognized that the SHE originate of the strong spin–orbit coupling in nonmagnetic materials. This thesis is focused on a proposal techniques to characterize SHE and inverse spin Hall effect (ISHE) in the ferromagnetic/nonmagnetic (F/N) nanostructure and electrical detection of magnetic domain walls by using SHE and ISHE. We will briefly give the cornerstones and the basic spintronic concepts, in order to ease the understanding of the work presented in this thesis, and the state-of-the-art of the SHE investigations. In the second part, a technique of F/N nanostructure are proposed and applied to detect the spin Hall angle and spin diffusion length of Pt. Then the technique will be used to characterize the SHE/ISHE in different materials, heavy metal and alloys. The influence of the interfaces in the device will also investigated. In the last of this manuscript, we demonstrate a domain wall (DW) detection method, based on the ability for a ferromagnetic nanowire, in which a DW is pinned, to inject or detect a PSC what can be produced/detected by SHE/ISHE.