DC and AC transport in field-effect controlled LaAlO3/SrTiO3 interface

par Alexis Jouan

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jérôme Lesueur et de Nicolas Bergeal.

Le président du jury était Bernard Plaçais.

Le jury était composé de Sophie Guéron, Julia Meyer.

Les rapporteurs étaient José Lorenzana, Claude Chapelier.

  • Titre traduit

    Transport DC et AC à l'interface LaAlO3/SrTiO3 contrôlée par effet de champ


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée à l'étude des propriétés de transport statique et dynamique du gaz d'électrons bidimensionnel supraconducteur à l'interface LaAlO3/SrTiO3. Dans un premier temps, nous étudions l'effet du désordre microscopique induit par le dopage en Chrome, sur la supraconductivité et le couplage spin-orbite en fonction de la densité de porteur modulée par effet de champ. Dans une géométrie de grille locale au-dessus du gaz, nous montrons le contrôle électrostatique de la transition supraconducteur-isolant. De même, nous analysons l'ajustement du couplage spin-orbite contrôlé par effet de champ. A l'aide de méthodes de nanofabrication par lithographie électronique, nous démontrons la première réalisation d'un point critique quantique dans LaAlO3/SrTiO3. En changeant le confinement latéral et le niveau de Fermi par effet de champ, nous sommes capables de régler le nombre de canaux conducteurs dans l'état normal et de mesurer la quantification de la conductance. Enfin, nous présentons des mesures radio-fréquence qui donnent accès aux propriétés dynamiques du gaz supraconducteur. L'évolution de la conductivité en fonction de la densité de porteurs et de la température est comparée avec la théorie standard BCS/Mattis-Bardeen d'une part, et avec la théorie BKT d'autre part.


  • Résumé

    This thesis is devoted to the study of static and dynamical transport properties of the superconducting two-dimensional electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 interface. Under strong 2D confinement, the degeneracy of the t2g bands of SrTiO3 is lifted at the interface, generating a rich and complex band structure. Starting from a free electron model, we derive numerically a self-consistent calculation of the potential well and the band structure (chapter 1). These simulations highlight the presence of two types of bands dxy and dxz/yz with very different transport properties. We investigate first the effect of microscopic disorder introduced by Cr doping, on superconductivity and spin-orbit coupling over a wide range of back-gate doping (chapter 3). We also describe the first implementation of a field-effect device where the superconductor-insulator transition could be continuously tuned with a top-gate. The presence of a strong spin-orbit coupling that could be controlled with the top-gate voltage is also demonstrated by analyzing the magneto-transport measurements. The gate dependence of the spin-splitting energy, of the order of a few meV, is found to be consistent with Rashba spin-orbit coupling. Going one step further in nanofabrication, we report on the first realization of a quantum point contact in LaAlO3/SrTiO3 using split gates (chapter 6). To go further in the understanding of the LaAlO3/SrTiO3 interface, we present high frequency measurements of the conductivity σ (chapter 5). This measurement gives us access to the superfluid stiffness and to the gap energy via the BCS theory. We show that the competition between these two energy scales controls the superconducting Tc in the phase diagram


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