Search

Nanoscale magnetic tunnel junctions (MTJ) are promising candidates for nonvolatile memories, magnetic sensors as well as for radiofrequency and unconventional computing applications. Transfer of spin angular momentum, from an injected spin polarized current, can drive three types of responses in these MTJs: (i) damped oscillations via an rf current, (ii) large angle auto-oscillations via a dc current, and (iii) switching between two stable states via a dc current. The first two excitations are of interest for applications within low power wireless sensor networks (WSNs) as well as for developing low power hardware of unconventional computing algorithms. The magnetization switching by contrast is exploited for nonvolatile memories where each state encodes a ‘0’ or ‘1’.In this thesis, we investigate the first response scheme for rf signal detection for low power wireless sensor nodes as well as the third response scheme for random number generation. Both studies make use of the same magnetic tunnel junctions that are characterized by a strong interfacial perpendicular magnetic anisotropy (iPMA) of the free layer and the pinned layer. Such perpendicular magnetic tunnel junctions (pMTJ) are currently seen by industrial partners as the most promising MTJ configuration for magnetic memory applications, because they can be made very small (down to 20nm diameter). Of interest for our studies here is that their internal fields are easily tunable through the variation of the device shape, because the ratio of the anisotropy energy due to IPMA and the demagnetization energy depends sensitively on the magnetic layer thickness and diameter. Slight variations in the free layer thickness (on the order of 0.2 nm) can lead to a drastic change of the magnetization orientation. For the devices used here, the free layer thickness was varied from t=1.4nm to 1.8nm. The first part of the thesis is a detailed analysis of the rf signal detection, to optimize the output DC voltage signal, as a function of magnetic layer thickness, the magnetic layer diameter as well as a function of the applied magnetic field orientation and the absence or presence of dc currents (passive vs. active active). It is found that, first, the passive rf detection signal of these pMTJs increases the more the iPMA compensates the demagnetizing energy. This can be achieved through a reduction of the device diameter, which additionally enhances the STT efficiency and reduces the effect from a serial resistance that will be present for MTJs co-integrated with CMOS. Secondly, in the active detection it is found that the detection frequency band can be tuned over several GHz through a dc current. This tuning is attributed to Joule heating and opens strategies for wide band frequency detection. The second part of the thesis demonstrates that a spin polarized DC current can bring these pMTJs into a superparamagnetic state at zero external magnetic field. Such bitstreams will be of interest for random number generation and unconventional computing schemes. Zero field operation will be facilitating the co-integration of these pMTJs with CMOS. The two parts of the thesis are accompanied by a thorough study of the static magneto-resistance loops as a function of applied field angle, DC current and temperature as well as by the modeling of the results based on solution of the Landau-Lifshitz-Gilbert equations.; Les jonctions tunnel magnétiques (MTJ) à l'échelle nanométrique sont des candidats prometteurs pour les mémoires non volatiles, les capteurs magnétiques ainsi que pour les applications de radiofréquence et de calcul non conventionnel. Le transfert du moment angulaire du spin, à partir d'un courant injecté polarisé en spin, peut entraîner trois types de réponses dans ces MTJ : (i) des oscillations amorties via un courant rf, (ii) des auto-oscillations à grand angle via un courant continu, et (iii) une commutation entre deux états stables via un courant continu. Les deux premières excitations sont intéressantes pour les applications dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN) à faible puissance ainsi que pour le développement de matériel à faible puissance pour le calcul non conventionnels. La commutation de magnétisation, par contre, est exploitée pour les mémoires non-volatiles où chaque état code un '0' ou un '1'.Dans cette thèse, nous étudions le premier typede réponse pour la détection de signaux RF pour les nœuds de capteurs sans fil à faible puissance, ainsi que le troisième type de réponse pour la génération de nombres aléatoires. Les deux études utilisent les mêmes jonctions tunnel magnétiques qui sont caractérisées par une forte anisotropie magnétique perpendiculaire interfaciale (iPMA) de la couche libre et de la couche fixée. Ces jonctions tunnel magnétiques perpendiculaires (pMTJ) sont actuellement considérées par les partenaires industriels comme la configuration MTJ la plus prometteuse pour les applications de mémoire magnétique, car elles peuvent être fabriquées dans des dimensions très réduites (jusqu'à 20 nm de diamètre). L'intérêt pour nos études ici est que leurs champs internes sont facilement accordables par la variation de la forme du dispositif, car le rapport entre l'énergie d'anisotropie due à l'IPMA et l'énergie de démagnétisation dépend de manière sensible de l'épaisseur et du diamètre de la couche magnétique. De légères variations de l'épaisseur de la couche libre (de l'ordre de 0,2 nm) peuvent entraîner un changement radical de l'orientation de l'aimantation. Pour les dispositifs utilisés ici, l'épaisseur de la couche libre est varié de t=1.4nm à 1.8nm. La première partie de la thèse est une analyse détaillée de la détection du signal rf, pour optimiser le signal de tension continue de sortie, en fonction de l'épaisseur de la couche magnétique, du diamètre de la couche magnétique ainsi qu'en fonction de l'orientation du champ magnétique appliqué et de l'absence ou de la présence de courants continus (passif vs actif). On constate que, premièrement, le signal de détection rf passif de ces pMTJs augmente plus l'iPMA compense l'énergie de démagnétisation. Cela peut être obtenu par une réduction du diamètre du dispositif, ce qui améliore en outre l'efficacité du STT et réduit l'effet d'une résistance série qui sera présente pour les MTJ co-intégrés avec le CMOS. Deuxièmement, dans la détection active, on constate que la bande de fréquence de détection peut être accordée sur plusieurs GHz par un courant continu. Cet accord est attribué au chauffage par effet Joule et ouvre des perspectives pour la détection de fréquences à large bande. La deuxième partie de la thèse démontre qu'un courant continu polarisé en spin peut amener ces pMTJs dans un état superparamétique. De tels flux binaires seront intéressants pour la génération de nombres aléatoires et pour les calculs non conventionnels basés sur de tels générateurs de nombres aléatoires. Le fonctionnement à champ nul facilitera la co-intégration de ces pMTJs avec le CMOS. Les deux parties de la thèse sont accompagnées d'une étude approfondie des boucles de magnétorésistance statique en fonction de l'angle du champ appliqué, du courant continu et de la température ainsi que de la modélisation des résultats basée sur la résolution de l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert.Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Spin waves or magnons are the elementary excitations of the ferromagnetic order. Their wave character, their tunable and anisotropic propagation properties, their frequency (from GHz to THz) and wavelength (from µm to nm) ranges, the absence of charge current associated with spin transport, are all advantages for the new "beyond CMOS" paradigms of information and signal processing in the microwave domain that are emerging.The strongly non-linear properties of spin waves, which result from the equation of magnetization dynamics, also lead to many interesting physical phenomena. Among others, they manifest themselves by the appearance of bistable dynamics, solitons, spin wave instabilities, auto-oscillations and chaos. The type of non-linear dynamics depends on one hand on the spin wave spectrum of the sample, which is determined by its magnetic properties, its geometry and the applied field, and on the other hand on the excitation. The recent development of ultra-thin layers of magnetic garnets, known for their unique dynamic quality, opens opportunities to control these non-linear effects. First, they can be nanopatterned in a standard way. The nanopatterning induces a quantization of the excitation spectrum, which limits the nonlinear interactions between modes. Secondly, it is possible by doping to adjust their effective anisotropy, responsible for the nonlinear dependence of the precession frequency. Finally, they can be put out of equilibrium by spin currents at their interface with a metal with strong spin-orbit coupling. The objective of this thesis is to study the strongly out-of-equilibrium dynamics induced by a microwave magnetic field in bismuth (Bi) doped yttrium iron garnet (YIG) nanodisks. The doping is chosen so that the perpendicular anisotropy of the magnetic layer almost compensates its shape anisotropy, thus canceling the nonlinear dependence of the resonant frequency. The diameters of the studied disks, smaller than one micron, allow to strongly confine the spin waves and to obtain a discrete spectrum. The exciting field is applied through an integrated microwave antenna, and the resulting dynamics in the BiYIG nano-disks are detected by a magnetic resonance force microscope (MRFM). A detailed spectroscopy of the linear regime, at low excitation amplitude, shows that the nanofabrication process reduces the anisotropy at the periphery of the disks, and that the disks located directly under the microwave antenna have an enhanced damping. However, this does not prevent reaching strongly non-equilibrium regimes when the excitation amplitude is increased. In particular, the resonance line of the main mode in the out-of-plane configuration of the disks with diameter larger than 500 nm splits and quickly saturates when the excitation increases. Micromagnetic simulations reproduce well this unexpected behavior, and allow to attribute it to the appearance of a dynamic instability. This instability corresponds to a self-modulation of the precession profile which localizes very strongly and briefly at the center of the disk, in a quasi-periodic or chaotic way, depending on the fine tuning of the control parameters. In order to experimentally probe this complex dynamics, a two-tone spectroscopy is implemented. The latter reveals frequency modulation spectra reflecting the richness of the temporal variations of the magnetization dynamics beyond the instability threshold. Further experiments and simulations allow us to attribute this behavior to finite size effects and to the balance between the different anisotropy terms, and to draft a phase diagram on the type of dynamics expected as a function of the relevant parameters., Les ondes de spin ou magnons sont les excitations élémentaires de l'ordre ferromagnétique. Leur caractère ondulatoire, leurs propriétés de propagation anisotropes et ajustables, leurs gammes de fréquence (du GHz au THz) et de longueur d'onde (du µm au nm), l'absence de courant de charge associé au transport de spin, sont autant d'atouts pour les nouveaux paradigmes « beyond CMOS » de traitement de l'information et du signal dans le domaine micro-onde qui sont en train d'émerger.Les propriétés fortement non-linéaires des ondes de spin, qui découlent de l'équation de la dynamique de l'aimantation, conduisent également à de nombreux phénomènes physiques intéressants. Ils se manifestent, entre autres, par l'apparition de dynamique bistable, de solitons, d'instabilités d'ondes de spin, d'auto-oscillations et de chaos. Le type de dynamique non-linéaire dépend d'une part du spectre d'ondes de spin de l'échantillon, que ses propriétés magnétiques, sa géométrie, et le champ appliqué déterminent, et d'autre part de l'excitation. Le développement récent de couches ultra-minces de grenats magnétiques, connus pour leur qualité dynamique inégalée, ouvre des opportunités pour contrôler ces effets non-linéaires. Premièrement, elles peuvent être nanostructurées de façon standard. La nanostructuration induit une quantification du spectre d'excitation, ce qui limite les interactions non-linéaires entre modes. Ensuite, il est possible d'ajuster par dopage leur anisotropie effective, responsable de la dépendance non-linéaire de la fréquence de précession. Enfin, elles peuvent être mises hors équilibre par des courants de spin à leur interface avec un métal à fort couplage spin-orbite. L'objectif de cette thèse est d'étudier la dynamique fortement hors équilibre induite par un champ magnétique micro-onde dans des nano-disques de grenat d'yttrium fer (YIG) dopé au bismuth (Bi). Le dopage est choisi de façon à ce que l'anisotropie perpendiculaire de la couche magnétique compense quasiment son anisotropie de forme, ce qui annule la dépendance non-linéaire de la fréquence de résonance. Les diamètres des disques étudiés, inférieurs au micron, permettent de confiner fortement les ondes de spin et d'obtenir un spectre discret. Le champ excitateur est appliqué grâce à une antenne micro-onde intégrée, et la dynamique résultante dans les nano-disques de BiYIG est détectée par un microscope de force par résonance magnétique (MRFM). La spectroscopie détaillée du régime linéaire, à faible amplitude d'excitation, met en évidence que le process de nanofabrication réduit l'anisotropie à la périphérie des disques, et que les disques situés directement sous l'antenne micro-onde ont un amortissement accru. Cela n'empêche cependant pas d'atteindre des régimes fortement hors équilibre lorsque l'amplitude de l'excitation est augmentée. En particulier, la raie de résonance du mode principal dans la configuration hors du plan des disques de diamètre supérieur à 500 nm se fractionne et sature rapidement quand l'excitation augmente. Des simulations micromagnétiques reproduisent bien ce comportement inattendu, et permettent de l'attribuer à l'apparition d'une instabilité dynamique. Celle-ci correspond à une auto-modulation du profil de précession qui se localise très fortement et brièvement au centre du disque, de façon quasi-périodique ou chaotique, en fonction du réglage fin des paramètres de contrôle. Afin de sonder expérimentalement cette dynamique complexe, une spectroscopie à deux tons est mise en œuvre. Cette dernière révèle des spectres de modulation en fréquence reflétant la richesse des variations temporelles de la dynamique de l'aimantation au-delà du seuil d'instabilité. Des expériences et simulations complémentaires permettent d'attribuer ce comportement à des effets de taille finie et d'équilibre entre les différents termes d'anisotropie, et d'ébaucher un diagramme de phase sur le type de dynamique attendue en fonction des paramètres pertinents.

Studying magnetic domain walls (DWs) in thin films is of great interest for the understanding of magnetization inversion mechanisms and for the development of spintronics devices. As DWs have an associated energy and lie in a material with intrinsic inhomogeneities, they can be studied within the theory of elastic interfaces in disordered media. In this thesis, we investigate the dynamic and morphological properties of DWs in thin films from this viewpoint. Our main experimental tool is the polar magneto-optical Kerr-effect (PMOKE) microscopy, which permits the direct observation of DWs. The studied samples are a ferrimagnetic 10nm-thick film of GdFeCo, and a ferromagnetic 4nm-thick semiconducting bilayer of (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As, both of them presenting perpendicular magnetic anisotropy.For the GdFeCo sample, we have studied the dynamics of field-driven DWs in a wide temperature range, from 10K to 353K, in the creep and depinning regimes. We have found that the depinning field Hd diverges at the magnetic compensation temperature TM, and that the characteristic pinning energy barrier kBTd grows in magnitude for decreasing temperature, what results in exceptionally low thermal effects below 100 K. This has allowed for the direct observation of the depinning transition at low temperatures and the subsequent determination of associated critical exponents. We have independently determined values of the order-parameter exponent β=0.30±0.03 and the correlation length exponent ν=1.3±0.3, both of them being consistent only with the quenched Edwards-Wilkinson universality class.Another investigation of this thesis concerns the statistical analysis of DW morphology in the GdFeCo sample. For different temperatures and applied fields, we have obtained representative values for the roughness exponent ς and the roughness amplitude B₀. We have found that the obtained zeta values cannot be directly identified with any of the theoretically predicted roughness exponents. In order to explain this disagreement, we propose a quantitative interpretation based on previous theoretical studies. We consider that the predicted exponents govern DW roughness at different length scales separated by two crossover lengths: the correlation length lopt associated to jumps over characteristic energy barriers, and the correlation length Lₐᵥ associated to the characteristic size of depinning avalanches. Based on these ideas, we interpret the measured ς exponents as effective values and experimentally quantify for the first time the depinning correlation length Lₐᵥ for different fields and temperatures. Moreover, we have found that Lₐᵥ is finite even for H, El estudio de paredes de dominios magnéticos (PDM) en láminas delgadas es de gran interés para la comprensión de los mecanismos de inversión de la magnetización y para el desarrollo de dispositivos de electrónica de spin. Debido a sus características, las PDM pueden ser estudiadas en el marco de la teoría de interfases elásticas en medios desordenados. En esta tesis, investigamos la dinámica y la morfología de PDM en láminas delgadas con anisotropía magnética perpendicular desde dicho enfoque. La técnica experimental principal que utilizamos es la microscopía magnetoóptica por efecto Kerr polar (PMOKE), que permite la observación directa de las PDM. Las muestras estudiadas son una lámina ferrimagnética de GdFeCo de 10 nm de espesor, y una bicapa ferromagnética de (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As de 4 nm de espesor.En la muestra de GdFeCo, estudiamos la dinámica de PDM impulsadas por campo magnético en un rango amplio de temperaturas, 10K-353K, en los regímenes de creep (reptación) y depinning (desanclaje). Encontramos que el campo de depinning Hd diverge en la temperatura de compensación magnética TM, y que la barrera de energía de anclaje característica kBTd crece al bajar la temperatura. Esto último resulta en efectos térmicos excepcionalmente débiles por debajo de 100K, y permite la observación directa de la transición de depinning a bajas temperaturas y la determinación de exponentes críticos asociados. Determinamos independientemente los valores del exponente del parámetro de orden β=0.30±0.03 y del exponente de la longitud de correlación ν=1.3±0.3. Ambos son consistentes sólo con la clase de universalidad de quenched Edwards-Wilkinson. Por otro lado, estudiamos las propiedades estadísticas de la morfología de PDM en la muestra de GdFeCo. Para diferentes temperaturas y campos aplicados, obtuvimos valores representativos del exponente de rugosidad ς y de la amplitud de la rugosidad B0. Encontramos que los valores de ς obtenidos no pueden ser identificados directamente con ninguno de los exponentes teóricamentepredichos. Para explicar esta discordancia, proponemos una interpretación cuantitativa basada en estudios teóricos previos. Consideramos que los exponentes predichos dominan la rugosidad de PDM a distintas escalas de longitud separadas por dos longitudes características: la longitud de correlación Lopt asociada a saltos sobre barreras de energía características, y la longitud de correlación Lavasociada al tamaño característico de las avalanchas en la transición de depinning. En base a estas ideas, interpretamos los exponentes ς medidos como valores efectivos y cuantificamos experimentalmente por primera vez la longitud de correlación Lav para distintos campos y temperaturas. Asimismo, encontramos que Lav es finita incluso para H, L'étude des parois de domaines magnétiques (PD) dans les films minces est d’un grand intérêt pour la compréhension de la dynamique de l'aimantation et pour le développement de dispositifs spintroniques. En raison de ses caractéristiques, les PD peuvent être étudiées dans le cadre de la théorie des interfaces élastiques dans les milieux désordonnés. Dans cette thèse, nous étudions les propriétés dynamiques et morphologiques des PD à partir de ce point de vue. Notre principal outil d'investigation est la microscopie par effet Kerr magnéto-optique polaire (PMOKE). Les échantillons étudiés sont un film ferrimagnétique de GdFeCo de 10nm d’épaisseur, et une bicouche semi-conductrice ferromagnétique de (Ga,Mn)(As,P)/(Ga,Mn)As de 4nm d’épaisseur. Pour l’échantillon de GdFeCo, nous avons étudié la dynamique des PD déplacées par champ magnétique, sur une large gamme de températures (10-353K), dans les régimes de reptation et de dépiégeage. Nous avons constaté une divergence du champ de dépiégeage à la température de compensation magnétique, et une augmentation de l’énergie caractéristique de piégeage kBTd lorsque la température T diminue, ce qui se traduit par des effets thermiques exceptionnellement faibles en dessous de 100K. Cela nous a permis d’observer une transition de dépiégeage quasi athermique à basse température et de déterminer les exposants critiques. Nous avons indépendamment déterminé les valeurs de l’exposant de paramètre d’ordre β=0.30±0.03 et l’exposant de longueur de corrélation ν=1.3±0.3, qui sont tous deux compatibles avec les prédictions théoriques pour la classe d’universalité Edwards-Wilkinson pour un système avec un désordre figé. Une autre étude de cette thèse est l’analyse statistique de la morphologie des PD en GdFeCo. Nous avons obtenu des valeurs représentatives pour l’exposant de rugosité ς et l’amplitude de rugosité B₀. Les valeurs de ς obtenues ne peuvent pas être directement identifiées avec les valeurs théoriquement prédits. Afin d’expliquer ce désaccord, nous considérons que les exposants prédits gouvernent la rugosité des PD à différentes échelles de longueur séparées par deux longueurs de croisement : la longueur de corrélation Lopt associée aux sauts au-dessus des barrières énergie d’ancrage, et la longueur de corrélation Lₐᵥ associée à la taille caractéristique des avalanches. Sur la base de ces idées, nous interprétons l’exposant ς mesuré comme une valeur effective et quantifions expérimentalement pour la première fois la longueur de corrélation Lₐᵥ pour différents champs et températures. En outre, nous avons constaté que lav restait fini au-dessous de la transition de dépiégeage (pour H

Vortex nano-oscillators are spintronic devices in which electric currents drive the steady state gyration of magnetic states called vortices with spin-transfer torques. They represent a class of spin-torque nano-oscillators, which have potential applications in rf communications, field generation, and neuro-inspired computing. A specific feature of vortex-based systems is the reversal of the vortex core polarity, which can lead to nonlinear effects such as self-modulated states and chaotic dynamics. Understanding how such states are influenced by external signals is important for both fundamental studies and technological applications.In this thesis, I examined experimentally and theoretically how the dynamics of vortex oscillators in the nanocontact geometry respond to external current modulation. The samples studied were fabricated using a nano-indentation method on a variety of material stacks, such as pseudo spin valves based on transition metal and Heusler alloys. Through time- and frequency-domain analysis, I show that nontrivial modulation effects can appear depending on the oscillation regime, where processes such as fractional synchronization, modulation of the core reversal processes, and transitions between regimes are observed. Heusler-based devices exhibit additional phenomena like mode hopping and possibly coupled vortex dynamics, which results in more complex spectra. Through micromagnetics simulations, I demonstrate that a key parameter is how the vortex orbits change under modulation, which determines whether phase locking is possible. Hysteretic effects due to changes in the domain structure of the device are also brought to light. These results suggest new ways to utilize vortex oscillators for information processing.; Les nano-oscillateurs à vortex sont des systèmes spintroniques dans lequel des courants électriques entrainent la giration par couple de transfert de spin d’une structure magnétique que l’on appelle vortex. Il s’agit d’un type de nano-oscillateur à transfert de spin permettant des applications dans les communications radiofréquences, la génération de champ magnétique et le calcul neuro-inspiré. Une propriété spécifique des systèmes à base de vortex est le renversement de la polarité du cœur de vortex, qui peut mener à des effets non-linéaires tels que le chaos. Comprendre comment de tels états sont influencés par des signaux extérieurs est important à la fois d’un point de vue fondamental et pour des applications technologiques.Dans cette thèse, j’ai examiné expérimentalement et théoriquement comment la dynamique des oscillateurs à vortex dans une géométrie à nanocontact répond à un signal externe. Les échantillons étudiés ont été fabriqué en utilisant une méthode de nano-indentation sur différents empilements, tels qu’une pseudo-vanne de spin à base de permalloy ou d’alliage de Heusler. Par des analyses fréquentielles et temporelles, j’ai montré que des effets de modulation non-triviaux se produisent selon le régime d’oscillation, tels que de la synchronisation fractionnaire, la modulation du renversement de cœur et des transitions entre régimes. Les échantillons à base d’alliage de Heusler font preuve de phénomènes supplémentaires tels que des battements entre modes résultant en un spectre plus complexe. À travers des simulations micromagnétiques, j’ai démontré qu’un paramètre clé est comment l’orbite du vortex change sous la modulation, et qui détermine si le verrouillage de phase est possible. Des effets d’hystéresis dus à un changement de la structure de l’échantillon sont aussi démontrés. Ces résultats suggèrent de nouvelles manières d’utiliser les oscillateurs à vortex pour le traitement du signal et de l’information.

Vortex nano-oscillators are spintronic devices in which electric currents drive the steady state gyration of magnetic states called vortices with spin-transfer torques. They represent a class of spin-torque nano-oscillators, which have potential applications in rf communications, field generation, and neuro-inspired computing. A specific feature of vortex-based systems is the reversal of the vortex core polarity, which can lead to nonlinear effects such as self-modulated states and chaotic dynamics. Understanding how such states are influenced by external signals is important for both fundamental studies and technological applications.In this thesis, I examined experimentally and theoretically how the dynamics of vortex oscillators in the nanocontact geometry respond to external current modulation. The samples studied were fabricated using a nano-indentation method on a variety of material stacks, such as pseudo spin valves based on transition metal and Heusler alloys. Through time- and frequency-domain analysis, I show that nontrivial modulation effects can appear depending on the oscillation regime, where processes such as fractional synchronization, modulation of the core reversal processes, and transitions between regimes are observed. Heusler-based devices exhibit additional phenomena like mode hopping and possibly coupled vortex dynamics, which results in more complex spectra. Through micromagnetics simulations, I demonstrate that a key parameter is how the vortex orbits change under modulation, which determines whether phase locking is possible. Hysteretic effects due to changes in the domain structure of the device are also brought to light. These results suggest new ways to utilize vortex oscillators for information processing.; Les nano-oscillateurs à vortex sont des systèmes spintroniques dans lequel des courants électriques entrainent la giration par couple de transfert de spin d’une structure magnétique que l’on appelle vortex. Il s’agit d’un type de nano-oscillateur à transfert de spin permettant des applications dans les communications radiofréquences, la génération de champ magnétique et le calcul neuro-inspiré. Une propriété spécifique des systèmes à base de vortex est le renversement de la polarité du cœur de vortex, qui peut mener à des effets non-linéaires tels que le chaos. Comprendre comment de tels états sont influencés par des signaux extérieurs est important à la fois d’un point de vue fondamental et pour des applications technologiques.Dans cette thèse, j’ai examiné expérimentalement et théoriquement comment la dynamique des oscillateurs à vortex dans une géométrie à nanocontact répond à un signal externe. Les échantillons étudiés ont été fabriqué en utilisant une méthode de nano-indentation sur différents empilements, tels qu’une pseudo-vanne de spin à base de permalloy ou d’alliage de Heusler. Par des analyses fréquentielles et temporelles, j’ai montré que des effets de modulation non-triviaux se produisent selon le régime d’oscillation, tels que de la synchronisation fractionnaire, la modulation du renversement de cœur et des transitions entre régimes. Les échantillons à base d’alliage de Heusler font preuve de phénomènes supplémentaires tels que des battements entre modes résultant en un spectre plus complexe. À travers des simulations micromagnétiques, j’ai démontré qu’un paramètre clé est comment l’orbite du vortex change sous la modulation, et qui détermine si le verrouillage de phase est possible. Des effets d’hystéresis dus à un changement de la structure de l’échantillon sont aussi démontrés. Ces résultats suggèrent de nouvelles manières d’utiliser les oscillateurs à vortex pour le traitement du signal et de l’information.

Spin transfer torque (STT) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions with ferromagnetic (F) leads are two essential underlying phenomena of modern spintronics. We present here a theoretical study of STT in antiferromagnet (AF) based tunnel junctions, where two AF metal electrodes are separated by a thin nonmagnetic insulating barrier. In particular, the behaviour of STT and TMR in epitaxial AF-based tunnel junctions is investigated using tight binding calculations in the framework of the Keldysh formalism. The spatial distribution of the STT out-of-plane component is found to be staggered, similar to the in-plane component. This behaviour is specific to the use of a tunnel barrier and significantly differs from the out-of-plane torques reported in previous works using a metallic spacer. Additionally, we show that unlike conventional ferromagnetic-based tunnel junctions, the TMR can increase with applied bias and reach values comparable to typical magnetoresistances found for usual spin valves.Next, the analysis carried out for AFs is extended to ferrimagnets (FI), for which AFs constitute simpler limiting cases. The additional magnetic complexity inherent to FI materials yields to a richer physics concerning the STT spatial behaviour in FI based tunnel junctions.Electronic structure parameters such as band widths and exchange splittings of the FI are shown to have a strong influence on STT. In particular, the STT spatial distribution within the leads exhibits a striking spin-modulated wave-like behaviour resulting from the interplay between the exchange splittings of the two FI sublattices. This wave-like behaviour can also be tuned via the applied voltage across the junction. Furthermore, the fundamental intrinsic parameter for quantifying STT characteristic lengths in FI metals is identified. This fundamental parameter can be considered as an effective exchange field in FIs, similar to the homogeneous exchange field in the F case.Finally, the STT characteristic lengths in AF materials are investigated experimentally. Here, room temperature critical depths and absorption mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 are determined by F-resonance and spin pumping. In particular, room temperature critical depths are observed to be originated from different absorption mechanisms: dephasing for Ir20Mn80 and spin flipping for Fe50Mn50., En électronique de spin, le couple de transfert de spin (STT) et la magnétorésistance tunnel (TMR) dans les jonctions tunnel magnétiques à électrodes ferromagnétiques (F) sont deux phénomènes physiques essentiels. Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique du STT dans des jonctions tunnel antiferromagnétiques (AF), où deux électrodes non-plus F mais AF sont séparées par une barrière isolante non-magnétique. Plus concrètement, les comportements du STT et de la TMR sont étudiés dans des jonctions tunnel AF cristallines, et ce, à l´aide de calculs de liaisons fortes dans le cadre du formalisme de Keldysh. Nous avons observé une distribution spatiale de la composante perpendiculaire du STT régulière et de signe alternatif, ce qui est similaire au comportement de la composante parallèle. Ces variations spatiales de la composante perpendiculaire sont cependant spécifiques à l'utilisation d'une barrière tunnel et contrastent avec les effets observés par le passé pour le cas de couches séparatrices métalliques. De plus, contrairement aux jonctions tunnel F conventionnelles, nous avons montré que la TMR peut augmenter avec la tension appliquée et atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que pour des vannes de spin usuelles : tout-métallique et à électrodes F.L´analyse effectuée pour des AF est ensuite étendue aux matériaux ferrimagnétiques (FI), pour lesquels les AF constituent, somme toute, des cas limites. La complexité magnétique additionnelle inhérente aux FI se traduit par un comportement spatial du STT beaucoup plus riche dans les jonctions tunnel FI. Nous observons notamment que les paramètres électroniques tels que les largeurs et les décalages de bandes ont une très forte influence sur le STT. Plus particulièrement, la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux des deux sous-réseaux du FI donne lieu à une distribution spatiale du STT ondulatoire qui est modulée par la densité locale de spin. Il est possible d'ajuster cet effet en jouant sur la tension appliquée aux bornes de la jonction tunnel FI. Nous trouvons de plus que la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux constitue un paramètre fondamental pour la quantification des longueurs caractéristiques du STT dans les FIs. Ce paramètre peut être considéré comme un champ d´échange effectif, par similitude avec le cas usuel des Fs qui présentent un champ d´échange homogène.Pour finir, nous avons sondé expérimentalement les longueurs caractéristiques du STT dans des AFs. Pour de l'Ir20Mn80 et du Fe50Mn50, nous avons déterminé les longueurs de pénétration de spin et les mécanismes d'absorption de courants de spin à température ambiante en utilisant la résonance F et le pompage de spin. Plus précisément, nous avons associé les profondeurs de pénétration critiques à deux mécanismes d'absorption distincts: du déphasage pour l´Ir20Mn80 et du retournement de spin pour le Fe50Mn50.

Spin transfer torque (STT) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions with ferromagnetic (F) leads are two essential underlying phenomena of modern spintronics. We present here a theoretical study of STT in antiferromagnet (AF) based tunnel junctions, where two AF metal electrodes are separated by a thin nonmagnetic insulating barrier. In particular, the behaviour of STT and TMR in epitaxial AF-based tunnel junctions is investigated using tight binding calculations in the framework of the Keldysh formalism. The spatial distribution of the STT out-of-plane component is found to be staggered, similar to the in-plane component. This behaviour is specific to the use of a tunnel barrier and significantly differs from the out-of-plane torques reported in previous works using a metallic spacer. Additionally, we show that unlike conventional ferromagnetic-based tunnel junctions, the TMR can increase with applied bias and reach values comparable to typical magnetoresistances found for usual spin valves.Next, the analysis carried out for AFs is extended to ferrimagnets (FI), for which AFs constitute simpler limiting cases. The additional magnetic complexity inherent to FI materials yields to a richer physics concerning the STT spatial behaviour in FI based tunnel junctions.Electronic structure parameters such as band widths and exchange splittings of the FI are shown to have a strong influence on STT. In particular, the STT spatial distribution within the leads exhibits a striking spin-modulated wave-like behaviour resulting from the interplay between the exchange splittings of the two FI sublattices. This wave-like behaviour can also be tuned via the applied voltage across the junction. Furthermore, the fundamental intrinsic parameter for quantifying STT characteristic lengths in FI metals is identified. This fundamental parameter can be considered as an effective exchange field in FIs, similar to the homogeneous exchange field in the F case.Finally, the STT characteristic lengths in AF materials are investigated experimentally. Here, room temperature critical depths and absorption mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 are determined by F-resonance and spin pumping. In particular, room temperature critical depths are observed to be originated from different absorption mechanisms: dephasing for Ir20Mn80 and spin flipping for Fe50Mn50.; En électronique de spin, le couple de transfert de spin (STT) et la magnétorésistance tunnel (TMR) dans les jonctions tunnel magnétiques à électrodes ferromagnétiques (F) sont deux phénomènes physiques essentiels. Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique du STT dans des jonctions tunnel antiferromagnétiques (AF), où deux électrodes non-plus F mais AF sont séparées par une barrière isolante non-magnétique. Plus concrètement, les comportements du STT et de la TMR sont étudiés dans des jonctions tunnel AF cristallines, et ce, à l´aide de calculs de liaisons fortes dans le cadre du formalisme de Keldysh. Nous avons observé une distribution spatiale de la composante perpendiculaire du STT régulière et de signe alternatif, ce qui est similaire au comportement de la composante parallèle. Ces variations spatiales de la composante perpendiculaire sont cependant spécifiques à l'utilisation d'une barrière tunnel et contrastent avec les effets observés par le passé pour le cas de couches séparatrices métalliques. De plus, contrairement aux jonctions tunnel F conventionnelles, nous avons montré que la TMR peut augmenter avec la tension appliquée et atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que pour des vannes de spin usuelles : tout-métallique et à électrodes F.L´analyse effectuée pour des AF est ensuite étendue aux matériaux ferrimagnétiques (FI), pour lesquels les AF constituent, somme toute, des cas limites. La complexité magnétique additionnelle inhérente aux FI se traduit par un comportement spatial du STT beaucoup plus riche dans les jonctions tunnel FI. Nous observons notamment que les paramètres électroniques tels que les largeurs et les décalages de bandes ont une très forte influence sur le STT. Plus particulièrement, la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux des deux sous-réseaux du FI donne lieu à une distribution spatiale du STT ondulatoire qui est modulée par la densité locale de spin. Il est possible d'ajuster cet effet en jouant sur la tension appliquée aux bornes de la jonction tunnel FI. Nous trouvons de plus que la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux constitue un paramètre fondamental pour la quantification des longueurs caractéristiques du STT dans les FIs. Ce paramètre peut être considéré comme un champ d´échange effectif, par similitude avec le cas usuel des Fs qui présentent un champ d´échange homogène.Pour finir, nous avons sondé expérimentalement les longueurs caractéristiques du STT dans des AFs. Pour de l'Ir20Mn80 et du Fe50Mn50, nous avons déterminé les longueurs de pénétration de spin et les mécanismes d'absorption de courants de spin à température ambiante en utilisant la résonance F et le pompage de spin. Plus précisément, nous avons associé les profondeurs de pénétration critiques à deux mécanismes d'absorption distincts: du déphasage pour l´Ir20Mn80 et du retournement de spin pour le Fe50Mn50.

Co2FeAl (CFA) is a very attractive Heusler alloy for spintronic applications. Their structural and magnetic properties depend strongly on the crystalline orientations and the interfaces quality. Therefore, the aim of this thesis is the study effects of the film thickness (d), the substrate (MgO, Si and SrTiO3 (STO)) as well as the annealing temperature on these properties. The structural analysis revealed a good epitaxial growth for films deposited on MgO and STO, in contrast to the Si substrate. The chemical order varies from the partially ordered B2 phase to the disordered A2 phase as a thickness or an annealing temperature decreases, regardless of the substrate. The ferromagnetic resonance (FMR) measurements show the superposition of a uniaxial and fourfold anisotropies for films grown on MgO and STO and only a weak uniaxial anisotropy for the samples grown on Si. The fourfold anisotropy is directly correlated to the crystal structure of the samples. The FMR and Brillouin light scattering measurements reveal the presence of a large negative perpendicular uniaxial anisotropy induced by CFA/MgO interface, which increases with 1/d and with annealing temperature. The relaxation mechanisms have carefully been studied and Gilbert damping coefficients of 0.0011 have been measured making CFA as a potential candidate for spin transfer torque-based devices. Finally, the study of submicron arrays of stripe obtained by patterning of the continuous CFA films reveals a spin waves quantization due to the finite stripes width., Co2FeAl (CFA) est un alliage Heusler très attractif pour les applications en spintronique. Ses propriétés magnétiques et structurales dépendent fortement des orientations cristallines et de la qualité des interfaces. Ce travail de thèse a porté sur les effets de l'épaisseur (d), du type de substrat (MgO, Si et SrTiO3 (STO)) ainsi que de la température de recuit sur ces propriétés. Les analyses structurales ont montré que les couches déposées sur les substrats MgO et STO croissent avec épitaxie contrairement au cas de Si. Lorsque l'épaisseur et la température de recuit diminuent, l’ordre chimique évolue de la phase moyennement ordonnée B2 vers la phase plus désordonnée A2, quel que soit le substrat. Les mesures de résonance ferromagnétique (FMR) révèlent que les couches sur MgO et STO présentent une superposition d'anisotropies planaires uniaxiale et d’ordre 4, alors que seule une faible anisotropie uniaxiale est présente pour les couches CFA déposées sur Si. Cette anisotropie d’ordre 4 a été directement reliée à la structure cristalline de ces couches. Les mesures FMR et de diffusion Brillouin de la lumière ont mis en évidence la présence d’une grande anisotropie uniaxiale perpendiculaire négative, liée à l’interface CFA/MgO, qui augmente avec 1/d et avec la température de recuit. Les mécanismes de relaxation de l’aimantation ont été soigneusement étudiés et des coefficients d'amortissement de Gilbert de 0.0011 ont été mesurés, validant ainsi l’intérêt porté à ces alliages pour les applications dans les dispositifs à base de transfert de spin. Enfin, l’étude de réseaux de lignes submicroniques à base des couches minces de CFA a révélé une quantification des ondes de spin liée à la largeur finie des lignes.

Spin Torque Oscillators (STO) are nano-sized Radio-Frequency oscillators whose frequency agility can be tuned by an order of magnitude. This tuning originates from the non-linear properties of the underlying magnetization dynamics that is induced by spin transfer torque (STT) in multilayered magnetic nanostructures. Being highly tunable in frequency has the inconvenient of creating a very strong sensitivity to noise. As a result the spectral purity of STOs is far below the one required for applications for instance in telecommunications. The magnetization dynamics induced by STT has been described theoretically in the frame of nonlinear spin wave theory that makes the essential features of the underlying properties very transparent. However important information on the excitation mode are "buried" in phenomenological parameters such as NU the amplitude-phase coupling and Gp the amplitude relaxation rate. Determining these parameters with accuracy from experiments is thus an important issue. This thesis describes several experimental methods to extract these parameters. The first is time domain noise spectroscopy which permits to extract phase and amplitude noise Power Spectral Densities. Their analysis in the frame of theoretical models allows direct extraction of the nonlinear parameters, but also to quantify the technological relevant phase noise. This is demonstrated for magnetic tunnel junction devices. A second method is the analysis of higher harmonics linewidth, where it is shown that due to the non-isochronous property of STOs, the relationship between Dfn and Df1 is non-trivial and allows to extract NU and Gp. We then apply the information gathered on the autonomous dynamics of STOs to understand the non-autonomous dynamics of STOs that are a prerequisite for the use of STOs in complex RF architectures. It is shown experimentally how the nonlinear parameters influence this non-autonomous behaviour., Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs Radiofréquence nanométriques dont la fréquence peut être variée d'un ordre de grandeur. Cette forte agilité en fréquence provient des propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin (STT) dans des multicouches magnétiques nano-structurées. Cette forte agilité en fréquence a le désavantage d'induire une forte sensibilité au bruit. La pureté spectrale des STO est alors bien en dessous des pré-requis pour les applications en télécommunications. Les principales propriétés de la dynamique de l'aimantation induite par le STT ont été décrites simplement à l'aide de la théorie non-linéaire des ondes de spin. Cependant des informations importantes sur le mode d'excitation sont enfouies dans des paramètres phénoménologiques tels que le couplage amplitude-phase NU et le taux de relaxation Gp. La détermination de ces paramètres avec précision est d'un intérêt primordial pour la description de la dynamique non-linéaire. Cette thèse décrit plusieurs méthodes expérimentales pour extraire ces paramètres. La première est la spectroscopie de bruit depuis le domaine temporel qui permet l'extraction des Densités Spectrales de Puissance du bruit d'amplitude et de phase. Leur analyse dans le cadre des modèles théoriques permet non seulement d'extraire directement les paramètres non-linaires mais également de quantifier le bruit de phase qui a un intérêt technologique. Ceci est démontré pour des dispositifs basés sur des jonctions tunnels magnétiques. La deuxième méthode est basée sur l'analyse des largeurs de raies des harmoniques du signal, où il est montré que du fait des propriétés non-isochrones des STO, la relation entre Dfn et Df1 est non triviale et permet l'extraction de NU et Gp. Nous utilisons alors toutes les informations obtenues sur le régime autonome de la dynamique des STO pour comprendre leur dynamique non-autonome qui sont des pré-requis à leurs utilisations dans des architectures RF complexes.

The objective of this PhD thesis is the study of magnetic domain walls, and more generally of magnetic textures, in nanostructures. This work is motivated by the coupling between electrons responsible for magnetism and those for electrical conduction, nowadays called spin transfer torque, enabling domain wall dynamics under spin current. Knowledge of domain walls' dynamic behaviour and static characteristics is thus required. The tool used all along this work has been the magnetic force microscopy. The main study of this work is the experimental demonstration of magnetic domain wall automotion in NiFe nanostrips. We studied this phenomenon in the case of a domain wall transformation and then analyzed its role for domain wall dynamics under short current pulses. The static properties of such structures prove equally important. They have been studied using anisotropic magnetoresistance measurement for domain walls under quasi-static rotating magnetic field. Finally, new material studies being one the main research direction for spin transfer torque issues, a third part has been devoted to study the complex magnetization distribution in NiPd nanostructures. For all the topics developed in this work, micromagnetic simulations have been carried out in order to deepen our understanding., Cette thèse a pour objectif l'étude des parois de domaines magnétiques, et plus généralement des textures magnétiques, dans des nanostructures. Ce travail est motivé par le couplage entre les électrons responsables du magnétisme et ceux de la conduction électrique, appelé transfert de spin, qui donne lieu à la dynamique de parois de domaines sous courant de spin. La connaissance du comportement dynamique et des caractéristiques statiques de telles structures est alors indispensable. L'outil principalement utilisé dans de ce travail est la microscopie à force magnétique, et ce présent dans l'ensemble des sujet abordés. L'étude principale de ce travail concerne la mise en évidence expérimentale de l'automouvement de paroi dans des nanopistes de NiFe. Nous avons montré ce phénomène dans le cas d'une transformation de parois puis analysé l'importance qu'il a pour la dynamique de parois dans le cas général aux impulsions courtes. Les propriétés statiques ont aussi été étudiées par des mesures de magnétorésistance anisotrope pour des parois soumises à un champ magnétique tournant quasi-statique. Finalement, L'aspect “nouveaux matériaux” étant un des grands axes de recherche concernant le transfert de spin, une troisième partie a été consacrée à l'étude de la distribution d'aimantation complexe des nanostructures de NiPd. Pour tous les sujets abordés dans ce travail, des calculs micromagnétiques ont été effectués pour appuyer notre compréhension.

This thesis deals with the study of current-induced magnetization dynamics and domain wall (DW) motion in NiFe/Cu/Co nanowires, induced by the so-called spin-transfer torque effect. Prior to this work, transport measurements had proven that in this trilayer system, DWs in NiFe can be moved with relatively low current densities, suggesting a particularly high spin-torque efficiency. The aim of this study has been to use photoemission electron microscopy combined with x-ray magnetic circular dichroism at synchrotron radiation sources to observe directly the magnetic configurations in the trilayers and their evolution during and after the application of nanosecond current pulses. An important step of the work has been to optimize the growth of the NiFe/Cu/Co layers, in the view of increasing interface quality and minimize interlayer coupling. The process of nanowire patterning by e-beam lithography has also been optimized. Two kinds of measurements have been carried out: i) quasi-static measurements, where the domain configuration is observed before and after the application of current pulses and ii) dynamic measurements, where the magnetic configuration has been observed during the application of current pulses. The first measurements have allowed us to study the statistical behavior of DWs under the application of current pulses: on one hand, the domain wall velocities reach extremely high values for relatively low current densities (up to 600 m/s for 5×10^11 A/m^2). On the other hand, DW motion over distances larger than 2-3 μm is strongly hindered by pinning. We have identified the pinning of DWs in the NiFe layer as being due to crystallographic inhomogeneities of the Co layers, via magnetic dipolar effects. Time-resolved measurements during the current pulses, carried out for the first time by our team, have allowed us to demonstrate that the NiFe magnetization is strongly tilted in the direction transverse to the nanowire direction, due to the presence of a transverse Oersted field. This effect might contribute to the enhancement of DW velocities in the NiFe layers.; Cette thèse concerne l'étude de la dynamique de l'aimantation et du déplacement de parois de domaines induits par un courant polarisé en spin dans les nanofils magnétiques de NiFe/Cu/Co. Avant ces travaux, des mesures de transport ont prouvé que dans ce système à trois couches, les parois dans le NiFe peuvent être déplacées par des densités de courant relativement faibles, ce qui suggère une efficacité du transfert de spin particulièrement élevée. Le but de cette étude a été d'utiliser la microscopie à photoémission d'électrons combinée avec le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD-PEEM) à des sources de rayonnement synchrotron pour observer directement les configurations magnétiques dans les tricouches et leur évolution pendant et après l'application d'impulsions de courant ultracourtes. Une étape importante du travail a été d'optimiser la croissance des couches NiFe/Cu /Co, pour augmenter la qualité des interfaces et minimiser le couplage entre les couches magnétiques. Le processus de structuration des nanofils par la lithographie électronique a également été optimisé. Deux types de mesures ont été réalisés: i) mesures quasi-statiques, où la configuration de domaines est observée avant et après l'application d'impulsions de courant et ii) des mesures dynamiques, où la configuration magnétique a été observée lors de l'application d'impulsions de courant. Les premières mesures nous ont permis d'étudier le comportement statistique des parois pendant l'application d'impulsions de courant: d'une part, les vitesses des parois atteignent des valeurs extrêmement élevées pour les densités de courant relativement faibles (jusqu'à 600 m/s pour 5×10^11 A/m^2). D'autre part, le mouvement des parois sur des distances supérieures à 2-3 μm est fortement entravé par le piègeage. Nous avons identifié le piègeage des parois dans la couche de NiFe comme étant dû à des inhomogénéités cristallographiques dans la couche de Co, par l'effet magnétique dipolaire. Des mesures résolues en temps pendant les impulsions de courant, réalisées pour la première fois par notre équipe, nous ont permis de démontrer que l'aimantation de NiFe est fortement inclinée dans la direction transverse à la direction des nanofils, en raison de la présence d'un champ transversal Oersted. Cet effet pourrait contribuer à l'augmentation des vitesses des parois dans les couches de NiFe.

This thesis deals with the study of current-induced magnetization dynamics and domain wall (DW) motion in NiFe/Cu/Co nanowires, induced by the so-called spin-transfer torque effect. Prior to this work, transport measurements had proven that in this trilayer system, DWs in NiFe can be moved with relatively low current densities, suggesting a particularly high spin-torque efficiency. The aim of this study has been to use photoemission electron microscopy combined with x-ray magnetic circular dichroism at synchrotron radiation sources to observe directly the magnetic configurations in the trilayers and their evolution during and after the application of nanosecond current pulses. An important step of the work has been to optimize the growth of the NiFe/Cu/Co layers, in the view of increasing interface quality and minimize interlayer coupling. The process of nanowire patterning by e-beam lithography has also been optimized. Two kinds of measurements have been carried out: i) quasi-static measurements, where the domain configuration is observed before and after the application of current pulses and ii) dynamic measurements, where the magnetic configuration has been observed during the application of current pulses. The first measurements have allowed us to study the statistical behavior of DWs under the application of current pulses: on one hand, the domain wall velocities reach extremely high values for relatively low current densities (up to 600 m/s for 5×10^11 A/m^2). On the other hand, DW motion over distances larger than 2-3 μm is strongly hindered by pinning. We have identified the pinning of DWs in the NiFe layer as being due to crystallographic inhomogeneities of the Co layers, via magnetic dipolar effects. Time-resolved measurements during the current pulses, carried out for the first time by our team, have allowed us to demonstrate that the NiFe magnetization is strongly tilted in the direction transverse to the nanowire direction, due to the presence of a transverse Oersted field. This effect might contribute to the enhancement of DW velocities in the NiFe layers., Cette thèse concerne l'étude de la dynamique de l'aimantation et du déplacement de parois de domaines induits par un courant polarisé en spin dans les nanofils magnétiques de NiFe/Cu/Co. Avant ces travaux, des mesures de transport ont prouvé que dans ce système à trois couches, les parois dans le NiFe peuvent être déplacées par des densités de courant relativement faibles, ce qui suggère une efficacité du transfert de spin particulièrement élevée. Le but de cette étude a été d'utiliser la microscopie à photoémission d'électrons combinée avec le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD-PEEM) à des sources de rayonnement synchrotron pour observer directement les configurations magnétiques dans les tricouches et leur évolution pendant et après l'application d'impulsions de courant ultracourtes. Une étape importante du travail a été d'optimiser la croissance des couches NiFe/Cu /Co, pour augmenter la qualité des interfaces et minimiser le couplage entre les couches magnétiques. Le processus de structuration des nanofils par la lithographie électronique a également été optimisé. Deux types de mesures ont été réalisés: i) mesures quasi-statiques, où la configuration de domaines est observée avant et après l'application d'impulsions de courant et ii) des mesures dynamiques, où la configuration magnétique a été observée lors de l'application d'impulsions de courant. Les premières mesures nous ont permis d'étudier le comportement statistique des parois pendant l'application d'impulsions de courant: d'une part, les vitesses des parois atteignent des valeurs extrêmement élevées pour les densités de courant relativement faibles (jusqu'à 600 m/s pour 5×10^11 A/m^2). D'autre part, le mouvement des parois sur des distances supérieures à 2-3 μm est fortement entravé par le piègeage. Nous avons identifié le piègeage des parois dans la couche de NiFe comme étant dû à des inhomogénéités cristallographiques dans la couche de Co, par l'effet magnétique dipolaire. Des mesures résolues en temps pendant les impulsions de courant, réalisées pour la première fois par notre équipe, nous ont permis de démontrer que l'aimantation de NiFe est fortement inclinée dans la direction transverse à la direction des nanofils, en raison de la présence d'un champ transversal Oersted. Cet effet pourrait contribuer à l'augmentation des vitesses des parois dans les couches de NiFe.

This thesis addresses a current topic of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. In magnetic nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also for integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for future telecommunications. However, before integration, major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The first type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We showed that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a result of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental results. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale., Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes.

The purpose of the work presented here is twofold. The first task was to provide a simulation tool based on the finite element method. Two finite element formulations were derived for the dynamic Landau-Lifshitz-Gilbert equation. The first is based on the resolution of the dynamic equation including the constraint on the magnetization, while the second uses test functions that belong to the tangent space of the magnetization. Only the second approach reproduced accurately the magnetization dynamics for several test cases. The second part of the manuscript concerns the study of magnetic domain wall displacement in systems with perpendicular magnetocrystalline anisotropy. This study required the insertion of two new terms in the Landau-Lifshitz-Gilbert equation. Both ideal and systems with different kind of defects were studied. Whenever possible, comparison with experimental results is carried out., Cette thèse comporte deux parties. L'objectif de la première partie était l'implémentation d'une méthode de résolution de l'équation dynamique de Landau-Lifshitz-Gilbert fondée sur l'approximation des éléments finis. Deux approches ont été présentées: la première reposant sur une formulation avec contrainte et la seconde mettant en œuvre des fonctions tests dans le plan tangent à l'aimantation. Seule la seconde approche reproduit la dynamique obtenue en différences finies sur des cas tests. Dans la seconde partie, le but était d'étudier le déplacement de parois de domaines magnétiques sous l'effet d'un champ magnétique ou d'un courant polarisé en spin dans des systèmes à anisotropie perpendiculaire. Il a été nécessaire d'introduire dans l'équation dynamique les termes dus au transfert de spin. Des systèmes idéaux et des systèmes avec différents types de défauts ont été étudiés. Les résultats numériques ont été comparés avec les données expérimentales disponibles.

Characterizing and understanding the response of magnetization at high frequencies is required to engineer the magnetic properties that are relevant in modern spin-electronics. This work is devoted to the development of vector network analyzer (VNA) ferromagnetic resonance (FMR), and to its use for the understanding of the magnetization dynamics of model thin film. In VNA-FMR, microwave photons guided by a coplanar waveguide are perturbatively coupled to a magnetic film. The analysis of the main observables of photon wave propagation provides frequency-resolved magnetic properties. While this is a promising approach for the metrology of magnetization dynamics in thin films, it only appeared recently and its standardization was not yet completed. We thus established the appropriate data analysis in a wave transmission geometry, where a rigorous analysis is possible. Using the former method as a quality standard, we have compared several simplifications of the measurement method, with a special focus on the use of an open-end reflection at the end of the waveguide, allowing a more compact and more sensitive set-up. Using our set-up, we have investigated several model thin films, including multilayers, exchange biased systems and amorphous alloys. Two ion bombardment treatments were tested to tailor the properties of Fe/Au multilayer. In combination with structural measurements, VNA-FMR proved as an adequate technique, giving clear evidence on the ion-induced ameliorations of the magnetic layers, both in terms of lower interface roughness and better defined ferromagnetic resonance linewidth. We have also studied the exchange bias phenomenon in IrMn/NiFe and IrMn/CoFeB systems, where conventional methods of investigation can only assign a sole exchange bias field value per hysteresis loop. Using VNA-FMR, we could deduce the exchange bias field acting on the magnetization at each point along an hysteresis loop. We could evidence how it evolves continuously with field history, giving thus insight into the micromagnetic state of the antiferromagnet. Finally, we have investigated CoFeB alloys, with an emphasis on their effective damping parameter and exchange stiffness constant. It was shown that the thermal annealing and the subsequent recrystallization could trigger a small to drastic increase of the effective damping parameter. Our findings correlate with the increase of the spin-transfer torque critical switching current in magnetic tunnel junctions of CoFeB, that could formerly not be understood., Les nouveaux dispositifs de l'électronique de spin nécessitent une meilleure compréhension du comportement hyperfréquence de l'aimantation. Ce travail est consacré au développement de la mesure de la résonance ferromagnétique à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA-FMR), pour caractériser la dynamique de l'aimantation. Bien que prometteuse, la méthode VNA-FMR n'est apparue que récemment et sa standardisation n'est pas encore accomplie. Nous avons établi l'analyse de données appropriée pour une géométrie en transmission d'ondes, où une analyse rigoureuse est possible. Nous avons comparé cette méthode à plusieurs méthodes simplificatrices, notamment l'utilisation d'un circuit ouvert à l'extrémité du guide d'ondes, permettant un dispositif expérimental plus compact. Nous avons étudié plusieurs types de couches minces. Des multicouches Fe/Au ont subi deux traitements de bombardement ionique pour modifier leurs propriétés. En combinaison avec des mesures structurales, les mesures de VNA-FMR ont prouvé clairement les améliorations induites par l'irradiation des couches magnétiques. Nous avons également étudié le phénomène de l'anisotropie d'échange sur des échantillons IrMn/NiFe et IrMn/CoFeB. En utilisant la méthode VNA-FMR, nous avons pu déduire le champ de l'anisotropie d'échange agissant sur l'aimantation pour chaque point du cycle d'hystérésis, démontrant ainsi sa dépendance vis-à-vis de l'histoire du champ magnétique. Enfin, nous avons étudié des alliages de CoFeB, en s'intéressant particulièrement au paramètre d'amortissement et à la raideur d'échange. On a montré que la recristallisation due au recuit thermique provoque une augmentation de l'amortissement.

Characterizing and understanding the response of magnetization at high frequencies is required to engineer the magnetic properties that are relevant in modern spin-electronics. This work is devoted to the development of vector network analyzer (VNA) ferromagnetic resonance (FMR), and to its use for the understanding of the magnetization dynamics of model thin film. In VNA-FMR, microwave photons guided by a coplanar waveguide are perturbatively coupled to a magnetic film. The analysis of the main observables of photon wave propagation provides frequency-resolved magnetic properties. While this is a promising approach for the metrology of magnetization dynamics in thin films, it only appeared recently and its standardization was not yet completed. We thus established the appropriate data analysis in a wave transmission geometry, where a rigorous analysis is possible. Using the former method as a quality standard, we have compared several simplifications of the measurement method, with a special focus on the use of an open-end reflection at the end of the waveguide, allowing a more compact and more sensitive set-up. Using our set-up, we have investigated several model thin films, including multilayers, exchange biased systems and amorphous alloys. Two ion bombardment treatments were tested to tailor the properties of Fe/Au multilayer. In combination with structural measurements, VNA-FMR proved as an adequate technique, giving clear evidence on the ion-induced ameliorations of the magnetic layers, both in terms of lower interface roughness and better defined ferromagnetic resonance linewidth. We have also studied the exchange bias phenomenon in IrMn/NiFe and IrMn/CoFeB systems, where conventional methods of investigation can only assign a sole exchange bias field value per hysteresis loop. Using VNA-FMR, we could deduce the exchange bias field acting on the magnetization at each point along an hysteresis loop. We could evidence how it evolves continuously with field history, giving thus insight into the micromagnetic state of the antiferromagnet. Finally, we have investigated CoFeB alloys, with an emphasis on their effective damping parameter and exchange stiffness constant. It was shown that the thermal annealing and the subsequent recrystallization could trigger a small to drastic increase of the effective damping parameter. Our findings correlate with the increase of the spin-transfer torque critical switching current in magnetic tunnel junctions of CoFeB, that could formerly not be understood.; Les nouveaux dispositifs de l'électronique de spin nécessitent une meilleure compréhension du comportement hyperfréquence de l'aimantation. Ce travail est consacré au développement de la mesure de la résonance ferromagnétique à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA-FMR), pour caractériser la dynamique de l'aimantation. Bien que prometteuse, la méthode VNA-FMR n'est apparue que récemment et sa standardisation n'est pas encore accomplie. Nous avons établi l'analyse de données appropriée pour une géométrie en transmission d'ondes, où une analyse rigoureuse est possible. Nous avons comparé cette méthode à plusieurs méthodes simplificatrices, notamment l'utilisation d'un circuit ouvert à l'extrémité du guide d'ondes, permettant un dispositif expérimental plus compact. Nous avons étudié plusieurs types de couches minces. Des multicouches Fe/Au ont subi deux traitements de bombardement ionique pour modifier leurs propriétés. En combinaison avec des mesures structurales, les mesures de VNA-FMR ont prouvé clairement les améliorations induites par l'irradiation des couches magnétiques. Nous avons également étudié le phénomène de l'anisotropie d'échange sur des échantillons IrMn/NiFe et IrMn/CoFeB. En utilisant la méthode VNA-FMR, nous avons pu déduire le champ de l'anisotropie d'échange agissant sur l'aimantation pour chaque point du cycle d'hystérésis, démontrant ainsi sa dépendance vis-à-vis de l'histoire du champ magnétique. Enfin, nous avons étudié des alliages de CoFeB, en s'intéressant particulièrement au paramètre d'amortissement et à la raideur d'échange. On a montré que la recristallisation due au recuit thermique provoque une augmentation de l'amortissement.

The size reduction of spintronic devices causes the decrease of the signal to noise ratio, especially due to the increase of magnetic fluctuations near the super-paramagnetic limit. Simultaneously, the size reduction of these devices brought about the emergence of a new phenomenon: the spin transfer. A spin polarized current leads to a torque on the magnetization of a ferromagnetic layer. When the current density exceeds a threshold value called the critical current, the magnetization of the ferromagnetic layer can be reversed or led into a steady-state precession. Many studies have been conducted on these two effects, from a fundamental or an applied point of view. But few have been done at currents below the critical threshold, that is to say in a regime where the spin transfer torque is expected to have no macroscopic effects on the magnetization dynamic.In this context, we showed that the spin transfer torque strongly impacts the spectrum of magnetic fluctuations at the ferromagnetic resonance in magnetic tunnel junctions, even for currents far below the critical current. This result could be obtained since we realized a broadband experimental set-up (DC − 26 GHz) to measure the noise emitted by a magnetoresistive device. The detection limit of the bench is less than 0.5 nV/pHz. Moreover, we developed a model based on the fluctuation-dissipation theorem that explains the changes in the magnetic fluctuation spectrum due to the spin polarized current. Thus, we could evidence the coexistence of two terms of spin transfer torque in magnetic tunnel junctions., La réduction croissante des tailles des dispositifs de l'électronique de spin s'accompagne d'une diminution du rapport signal sur bruit, notamment du fait de l'augmentation des fluctuations magnétiques à l'approche de la limite super paramagnétique. Simultanément la réduction des dimensions de ces dispositifs a entraîné l'apparition d'un nouveau phénomène : le transfert de spin, qui se traduit par un couple exercé par un courant polarisé en spin sur l'aimantation d'une couche ferromagnétique. Pour une densité de courant supérieure à une valeur seuil appelée courant critique, l'aimantation de la couche ferromagnétique peut être renversée ou être mise en précession. De nombreuses études ont été réalisées sur ces deux effets que ce soit d'un point de vue fondamental ou appliqué. Mais peu ont été effectuées pour des courants inférieurs au courant critique, c'est-à-dire dans un régime où le transfert de spin doit exister sans présenter d'effets macroscopiques sur la dynamique de l'aimantation.Dans ce contexte, nous avons montré que le couple de transfert de spin agit fortement sur les fluctuations de l'aimantation à la résonance ferromagnétique dans les jonctions tunnel magnétiques, même pour des courants bien inférieurs au seuil critique. Pour ce faire, nous avons mis en place un banc de mesure de bruit large bande : DC − 26 GHz dont le seuil de détection est inférieur à 0, 5 nV/pHz. De plus, grâce à un modèle développé à partir du théorème de fluctuation-dissipation, nous avons pu expliquer les modifications du spectre des fluctuations magnétiques induites par le courant. Nous avons ainsi pu mettre en évidence l'existence de deux termes de couple de transfert de spin.

In this thesis I present the results I obtained on the magnetic properties and magnetisation dynamics of magnetic thin films coupled across a non ferromagnetic or an antiferromagnetic layer. We used X-ray absorption spectroscopy (XMCD) as well as Kerr effect and Kerr microscopy in pump-probe mode. The time-resolved XMCD measurements exploit the time-structure of synchrotron radiation to get access to magnetisation dynamics with element selectivity. A recent extension of this technique is time-resolved PEEM microscopy. These techniques have been used to study magnetisation dynamics in spin valve systems where the magnetostatic coupling influences the reversal mode. In Pt/Co multilayers coupled with an AF layer the magnetic domain structure is strongly influenced by the F/AF interaction.; Dans cette thèse je présente les résultats de mes études sur le magnétisme et la dynamique de l'aimantation de systèmes en couches minces couplées soit à travers une couche non ferromagnetique, soit une couche antiferromagnetique. Il s'agit de systèmes qui s'insèrent dans le contexte de l'enregistrement magnétique. Les techniques étudiées sont la spectroscopie d'absorption X (XMCD et XMCD résolu en temps) et l'effet magnéto-optique Kerr et la microscopie Kerr en mode pompe sonde. Les mesures XMCD résolues en temps exploitent la structure temporelle du rayonnement synchrotron pour avoir accès à la dynamique de l'aimantation avec sélectivité chimique. Une extension récente de cette technique est la microscopie PEEM résolue en temps. Ces outils ont été utilisés pour étudier la dynamique de l'aimantation des couches magnétiques de vannes de spin où le couplage magnétostatique entre couches influence le mode de renversement. Dans des multicouches Pt/Co couplées par échange avec une couche AF nous avons montré que le retournement de l'aimantation est fortement influencé par l'interaction F/AF.

In this document, I use some results of my research activities of the last ten years to show the power of x-ray magnetic dichroism for determining magnetic properties of thin layers, multilayers and nanostructures. The use of sum rules for x-ray dichroism allows a quantitative determination of the spin and orbital contributions to the magnetic moment, for each element of a heterogeneous material separately.Used in a qualitative way, x-ray dichroism allows monitoring the magnetization of the different layers in a multilayer as a function of applied field. In combination with the temporal structure of synchrotron radiation, it is possible to study fast magnetization reversal with element selectivity, which is important for devices like spin valves and magnetic tunnel junctions. Adding the spatial resolution of a photoelectron emission microscope (PEEM), it becomes possible to study all the details of the fast magnetization reversal in complex magnetic systems., Dans ce document, j'utilise des résultats de ma recherche des dix dernières années pour montrer que le dichroïsme magnétique des rayons x est une technique puissante pour déterminer les propriétés magnétiques des couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques. L'utilisation de règles de somme pour le dichroïsme permet de déterminer quantitativement les contributions orbitale et de spin au moment magnétique, et ceci séparément pour chaque élément dans un matériau hétérogène.Utilisé de façon qualitative, le dichroïsme permet de suivre l'aimantation de différentes couches d'une multicouche en fonction du champ appliqué. En combinaison avec la structure temporelle du rayonnement synchrotron, il est possible d'étudier le renversement rapide de l'aimantation avec sélectivité chimique, ce qui est important pour les dispositifs comme les vannes de spin et les jonctions tunnel magnétiques. En ajoutant la résolution spatiale d'un microscope électronique comme le PEEM, il devient possible d'étudier tous les détails du renversement rapide dans les systèmes magnétiques complexes.

In this document, I use some results of my research activities of the last ten years to show the power of x-ray magnetic dichroism for determining magnetic properties of thin layers, multilayers and nanostructures. The use of sum rules for x-ray dichroism allows a quantitative determination of the spin and orbital contributions to the magnetic moment, for each element of a heterogeneous material separately.Used in a qualitative way, x-ray dichroism allows monitoring the magnetization of the different layers in a multilayer as a function of applied field. In combination with the temporal structure of synchrotron radiation, it is possible to study fast magnetization reversal with element selectivity, which is important for devices like spin valves and magnetic tunnel junctions. Adding the spatial resolution of a photoelectron emission microscope (PEEM), it becomes possible to study all the details of the fast magnetization reversal in complex magnetic systems.; Dans ce document, j'utilise des résultats de ma recherche des dix dernières années pour montrer que le dichroïsme magnétique des rayons x est une technique puissante pour déterminer les propriétés magnétiques des couches minces, multicouches et nanostructures magnétiques. L'utilisation de règles de somme pour le dichroïsme permet de déterminer quantitativement les contributions orbitale et de spin au moment magnétique, et ceci séparément pour chaque élément dans un matériau hétérogène.Utilisé de façon qualitative, le dichroïsme permet de suivre l'aimantation de différentes couches d'une multicouche en fonction du champ appliqué. En combinaison avec la structure temporelle du rayonnement synchrotron, il est possible d'étudier le renversement rapide de l'aimantation avec sélectivité chimique, ce qui est important pour les dispositifs comme les vannes de spin et les jonctions tunnel magnétiques. En ajoutant la résolution spatiale d'un microscope électronique comme le PEEM, il devient possible d'étudier tous les détails du renversement rapide dans les systèmes magnétiques complexes.

This thesis is concerned with the study of a new experimental tool for the investigation of magnetization dynamics in magnetic nanostructures. The technique, ferro-Magnetic Resonance Force Microscopy (f-MRFM), is inspired by scanning probe methods and it characterizes Ferromagnetic Resonance (FMR) by means of a mechanical measurement. An original f-MRFM experimental setup was built. Its capabilities have been characterized by the study of a disk-shaped magnetic garnet sample, 160 microm. in diameter. The results demonstrate a sensitivity and a spectral resolution well suited for the study of individual microscopic samples. They also give us the optimization path towards either higher sensitivity or better spatial resolution for magnetic excitations imaging. Moreover, quantitative measurement of FMR can be obtained. This capability is used to perform a direct measurement of the longitudinal relaxation time T1.; Cette thèse concerne l'étude d'un nouvel outil expérimental d'investigation de la dynamique de l'aimantation, adapté à la mesure de nanostructures magnétiques. Cette technique, la Microscopie par Résonance Ferromagnétique (f-MRFM), s'inspire des microscopies à sonde locale pour réaliser une détection mécanique de la Résonance Ferromagnétique (RFM). Un dispositif original a été mis au point. Ses performances sont caractérisées par l'étude d'un disque de grenat magnétique de 160 microm. de diamètre. Les résultats démontrent une sensibilité et une résolution spectrale adaptées à la mesure d'échantillons microscopiques individuels, et permettent de conclure quant à la configuration la plus judicieuse en terme d'intensité du signal ou de résolution spatiale pour l'imagerie des excitations magnétiques. Cette technique permet en outre de remonter à une information quantitative sur la RFM, capacité qui est utilisée pour obtenir une mesure directe du temps de relaxation longitudinal T1.

The first part of this thesis describes the magneto-optical effects (from visible light to X-rays), the ways to produce dynamical magnetic fields and the different magnetometres that have been developed. These instruments allow studying dynamics over a time scale from 50 ps to several hours, with a spatial resolution down to 100 nm. The second part is dedicated to a short presentation of magnetism and theoretical approaches to magnetization dynamics. The third part presents studies on a garnet film, where the dynamics is dominated by precessional effects, and a Co/Pt multilayer where thermally activated effects (nucleation, propagation) dominate. In the fourth and final part, I start with the presentation of a study on coupled ferro/antiferromagnetic Co/NiO bilayers. Then results of a study on the disappearance of the magnetostatic orange-peel coupling at high reversal speed in ferromagnetic/non-magnetic/ferromagnetic trilayers deposited on step-bunched substrates are presented.; La première partie de cette thèse décrit les effets magnéto-optiques (du visible aux Rayons X), les techniques de production dynamique de champ magnétique ainsi que les différents magnétomètres élaborés. Ces instruments permettent une étude sur une plage dynamique très importante de 50 ps à plusieurs heures avec une résolution spatiale jusqu'à 100 nm. Suit une partie consacrée à une présentation succincte du magnétisme et des approches théoriques de la dynamique de l'aimantation. La troisième partie est consacrée à l'étude d'un film de grenat où la dynamique est dominée par des effets de précession de l'aimantation, puis d'une multicouche Co/Pt où la dynamique est dominée par des effets d'activation thermique. Enfin la quatrième partie présente l'étude des systèmes couplés Ferro-AntiFerro Co/NiO puis une étude sur la disparition du couplage peau d'orange à haute vitesse de renversement de l'aimantation sur des tricouches Ferro-Nonmagnétique-Ferro déposées sur des substrats à accumulation de marches.

Using a time-resolved “pump-probe” technique, we have studied the magnetization dynamics in magnetic thin films with a time resolution of about 20ps. As pump we used the high-frequency magnetic fields induced by voltage pulses applied on a 507-matched coplanar wave-guide. As probe we used the Magneto-Optical Kerr effect and Magneto-Resistive effect. We present the wave-guide and device preparation realized by UV lithography, sputtering and various etching techniques. The magnetization dynamics results concern both small angle perturbations, such as Ferromagnetic Resonance, and large angle perturbations such as the magnetization reversal. For the latter case, we have evidenced the magnetization reversal by precession, in micron-sized spin-valve elements and continuous magnetic films. This process, known as the fastest magnetization reversal process, has direct applications in Magnetic Random Access Memories (MRAM) devices., En utilisant la technique pompe-sonde résolue en temps, nous avons étudié la dynamique de l'aimantation dans des couches minces magnétiques avec une résolution temporelle de 20ps. La pompe est constituée par les champs magnétiques de hautes fréquences induits par des impulsions de tension appliquées sur une ligne coplanaire. Comme sonde, nous avons utilisé l'effet Kerr magnéto-optique et l'effet magnéto-résistif. Nous présentons la préparation des échantillons en utilisant le dépôt de couches minces par pulvérisation cathodique, la lithographie UV, ainsi que différentes techniques de gravure. Les résultats sur la dynamique de l'aimantation correspondent au régime des petites perturbations (de type Résonance Ferromagnétique) et à celui des grandes perturbations (ex. le renversement de l'aimantation). Nous avons mis en évidence le renversement par précession dans des vannes de spin de taille micronique et dans des couches minces continues.

The first part of this thesis describes the magneto-optical effects (from visible light to X-rays), the ways to produce dynamical magnetic fields and the different magnetometres that have been developed. These instruments allow studying dynamics over a time scale from 50 ps to several hours, with a spatial resolution down to 100 nm. The second part is dedicated to a short presentation of magnetism and theoretical approaches to magnetization dynamics. The third part presents studies on a garnet film, where the dynamics is dominated by precessional effects, and a Co/Pt multilayer where thermally activated effects (nucleation, propagation) dominate. In the fourth and final part, I start with the presentation of a study on coupled ferro/antiferromagnetic Co/NiO bilayers. Then results of a study on the disappearance of the magnetostatic orange-peel coupling at high reversal speed in ferromagnetic/non-magnetic/ferromagnetic trilayers deposited on step-bunched substrates are presented., La première partie de cette thèse décrit les effets magnéto-optiques (du visible aux Rayons X), les techniques de production dynamique de champ magnétique ainsi que les différents magnétomètres élaborés. Ces instruments permettent une étude sur une plage dynamique très importante de 50 ps à plusieurs heures avec une résolution spatiale jusqu'à 100 nm. Suit une partie consacrée à une présentation succincte du magnétisme et des approches théoriques de la dynamique de l'aimantation. La troisième partie est consacrée à l'étude d'un film de grenat où la dynamique est dominée par des effets de précession de l'aimantation, puis d'une multicouche Co/Pt où la dynamique est dominée par des effets d'activation thermique. Enfin la quatrième partie présente l'étude des systèmes couplés Ferro-AntiFerro Co/NiO puis une étude sur la disparition du couplage peau d'orange à haute vitesse de renversement de l'aimantation sur des tricouches Ferro-Nonmagnétique-Ferro déposées sur des substrats à accumulation de marches.