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Résumé:

La capacité à imager des distributions de champ magnétique avec une sensibilité élevée et une résolution spatiale nanométrique, est devenue d'une importance primordiale dans un grand nombre de domaines. On peut ici citer l'étude d’espèces biomagnétiques, le géomagnétisme, la matière condensée, ou la microélectronique par exemple. Cette thèse porte sur une technique d'imagerie magnétique hautement résolue qui repose sur le spin unique d'un défaut ponctuel (le centre NV) dans le diamant. Ce défaut se comporte comme une molécule individuelle fluorescente logée à l'intérieur de la matrice de diamant; à ce défaut est associé un spin qui peut être adressé optiquement. Ce spin peut être utilisé comme un magnétomètre de taille atomique: le champ magnétique au voisinage du centre NV est mesuré à partir du décalage Zeeman lu sur le spectre de résonance magnétique détecté optiquement.Au cours de ma thèse, j'ai travaillé à étendre la magnétométrie NV à balayage vers un fonctionnement à des températures cryogéniques. L’élément principal du magnétomètre consiste en une sonde en diamant hébergeant un centre NV unique, qui est montée sur un microscope à force atomique (AFM) fonctionnant à 4 K. Les performances de ce magnétomètre sont évaluées en cartographiant le champ magnétique produit par des couches minces ferromagnétiques. Deux modes de fonctionnement peuvent être utilisés. Dans le régime de champ magnétique faible (< 5 mT), une cartographie quantitative des champs magnétiques de fuite peut être mise en œuvre en enregistrant le spectre de résonance de spin. Dans le régime de champ magnétique élevé (> 5 mT), la distribution du champ magnétique de fuite peut être obtenue qualitativement, en enregistrant simplement le niveau de photoluminescence du centre NV.Ce mode d'extinction de photoluminescence est ici appliqué pour explorer la physique des skyrmions magnétiques dans des couches minces ferromagnétiques. Ces structures de spin avec une aimantation tourbillonnante, sont très prometteuses pour le stockage et le traitement d'informations à l'échelle nanométrique dans les futurs dispositifs de mémoire et de logique. Nous étudions d'abord le rôle du désordre structurel et de l'histoire magnétique sur la morphologie de skyrmions magnétiques. Ces travaux sont ensuite étendus à l'étude des alliages de Heusler, une classe de matériaux ferromagnétiques à coefficient d'amortissement magnétique intrinsèquement faible. Nous démontrons la première stabilisation des skyrmions magnétiques dans ces matériaux prometteurs ainsi qu'un processus efficace de nucléation induit par le courant. Pourtant, malgré le faible coefficient d'amortissement magnétique, le déplacement des skymions induit par le courant reste limité par de forts effets de piégeage. Enfin, nous démontrons la stabilisation de skyrmions de 60 nm de diamètre sous champ magnétique externe nul et à température ambiante, dans un empilement optimisé de couches couplées par polarisation d’échange.La magnétométrie à centre NV peut également être développée suivant des configurations d'imagerie à champ large. Dans ces expériences, la sonde en diamant consiste généralement en un substrat de diamant hébergeant des centres NV près de la surface. Nous nous sommes concentrés sur l'optimisation de ces sondes en diamant pour améliorer la sensibilité de ces imageurs magnétiques. Divers paramètres ont un impact sur cette sensibilité; ceux-ci incluent le contrôle de la localisation en profondeur, de la densité et de l'orientation des centres NV. Nous proposons ici une nouvelle stratégie pour obtenir, par dépôt chimique en phase vapeur, des centres NV à orientation préférentielle. Cette stratégie s'appuie sur un contrôle de la température de croissance effectuée sur un substrat orienté (113). Nous combinons ensuite cet effet avec l'incorporation dépendante de la température des centres NV pour produire un échantillon de diamant présentant une couche dense de centres NV préférentiellement alignés.