Transport électronique polarisé en spin dans les contacts atomiques de fer

par Gabriel Autès

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Cyrille Barreteau.

Soutenue en 2008

à Paris 6 .


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l’étude théorique du transport électronique dans les contacts atomiques magnétiques. L’objectif principal est d’expliquer la magnétorésistance anisotrope géante mesurée expérimentalement dans les jonctions à cassure de fer. Dans ce but, on a développé une méthode de calcul de la conductance des nanostructures magnétiques. Le calcul est effectué en deux étapes. Dans un premier temps, la structure électronique du contact est déterminée de manière autocohérente dans une base d’orbitales atomiques spd à l’aide d’un modèle de liaisons fortes étendu au magnétisme. Les propriétés magnétiques sont décrites à l’échelle atomique par un modèle d’interaction inter-électronique. Deux modèles d’interactions sont comparés : un modèle simple de type Stoner et un modèle plus complet de type Hartree-Fock développé pour reproduire les effets de polarisation orbitale susceptibles d’apparaître au niveau du contact. En effet, dans les nanostructures unidimensionnelles, on observe une levée du blocage du moment orbital qui existe dans les cristaux cubiques en volume. Pour permettre la description de l’anisotropie magnétique du système, on prend aussi en compte le magnétisme non-colinéaire et le couplage spin-orbite. Dans un second temps, les propriétés de transport électroniques du système sont déterminées dans le formalisme de Landauer. Dans cette approche, on considère que le transport est cohérent et élastique. Cette approximation est valide quand étudie un conducteur de taille atomique à basse température sous de faibles tensions. La conductance est alors directement proportionnelle à la probabilité de transmission des électrons à travers le système. Cette transmission est calculée à partir de la fonction de Green du système. Cette méthode de calcul est appliquée à l’étude de la magnétorésistance anisotrope des contacts de fer. Plusieurs géométries de contact, allant du fil monoatomique parfait aux systèmes réalistes, sont comparées. Les résultats révèlent le rôle prépondérant joué par la géométrie et par la polarisation orbitale. Pour que l’anisotropie magnétique soit aussi élevée que dans les expériences, il est nécessaire que l’atome de contact soit dans une configuration de fil monoatomique. Les effets de polarisation orbitale permettent d’expliquer les deux plateaux de conductance mesurés expérimentalement. Ils sont liés à l’existence de deux états magnétiques métastables qui différent par la direction du moment orbital sur l’atome de contact

  • Titre traduit

    Spin-dependent electron transport in iron atomic contact


  • Résumé

    This thesis is dedicated to the theoretical study of spin-dependent transport in atomic contact. The main objective is to understand the giant anisotropic magnetoresistance experimentally measured in iron break junctions. On this purpose, we developed a method to calculate electron transport properties in magnetic nanostructures. The calculation is performed in two steps. First the electronic structure of the contact is determined in a basis of atomic orbitals spd using a tight-binding model extended to include magnetism. The magnetic properties are described at the atomic scale using an interelectronic interaction Hamiltonian. Two interaction models are compared: a simple Stoner-like model and a more complete Hartree-Fock model, developed to reproduce the orbital polarization effects which appear in one-dimensional nanostructure where the orbital moment quenching is lifted. To describe the magnetic anisotropy, non-collinear magnetism and spin-orbit coupling are taken in account. In the second step, the electron transport properties are derived in the Landauer formalism. In this approach, the transport of electron is supposed to be coherent and elastic. These suppositions are valid in an atomic scale conductor under low temperature and bias. The conductance is directly proportional to the transmission probability of electrons through the contact. This transmission is calculated from the Green function of the system. This method is applied to the study of magnetoresistance in iron atomic contact. Several contact geometries, from the monatomic wire to realistic systems, are compared. The results reveal the importance of contact geometry and orbital polarization. The magnetic anisotropy measured in the experiments can only be achieved if the contact atom is in a monatomic wire configuration. The orbital polarization brings an explanation for the two conductance plateaus observed experimentally. They are related to two metastable magnetic states that differ only by the orbital moment on the contact atom.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (III-165 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 157-163. 130 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Biologie-Chimie-Physique Recherche.
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  • Cote : T Paris 6 2008 533
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