Dynamical spin injection and spin to charge current conversion in oxide-based Rashba interfaces and topological insulators

par Paul Noel

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Jean-Philippe Attané et de Laurent Vila.

Soutenue le 14-11-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et technologie des composants (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Stefania Pizzini.

Le jury était composé de Abdelmadjid Anane, Dafiné Ravelosona.

Les rapporteurs étaient Michel Viret, Pietro Gambardella.

  • Titre traduit

    Injection dynamique de spin et conversion courant de spin - courant de charge dans les interfaces Rashba à base d'oxydes et les isolants topologiques


  • Résumé

    L'utilisation de matériaux ferromagnétiques a longtemps été l'unique méthode pour détecter et produire des courants de spin. Cependant, depuis le milieu des années 2000 des méthodes alternatives ont été proposées. Un champ émergent de la spintronique, appelé spin-orbitronique, s'attelle à l'utilisation du couplage spin orbite pour détecter et produire des courants de spin en l'absence de matériaux ferromagnétiques. Une interconversion efficace entre courant de spin et courant de charge a pu être obtenues à l'aide de l'effet Hall de spin dans les métaux lourds tels que le Platine ou le Tantale. Une telle conversion peut aussi être obtenue en utilisant l'effet Edelstein dans les interfaces Rashba et les isolants topologiques.La conversion de courant de spin à courant de charge par effet Hall de spin et effet Edelstein inverse peut être étudiée par la méthode dite du pompage de spin par résonance ferromagnétique. Ce manuscrit présente ces différents effets de conversion ainsi que la technique utilisée basée sur une mesure électrique effectuée à la résonance ferromagnétique. Y sont présentés des résultats de conversion spin charge dans les métaux, les interfaces Rashba à base d'oxydes ainsi que dans les isolants topologiques. Parmi ces systèmes nous avons montré la possibilité de moduler à l'aide d'une grille électrostatique la conversion spin charge dans un gaz d'électron bidimensionel obtenu à la surface de l'oxyde SrTiO3. De plus il est possible de moduler, de façon rémanente, la conversion dans SrTiO3 grâce à la ferroélectricité obtenue à des températures cryogéniques.Parmi les autres systèmes étudiés les isolants topologiques HgTe et Sb2Te3 présentent des propriétés de conversion spin vers charge prometteuses à température ambiante. En particulier dans le cas de HgTe, en utilisant une couche de protection de HgCdTe nous avons pu obtenir des niveaux de conversion un ordre de grandeur plus élevé que dans le Platine.Ces résultats suggèrent que les gaz d'électrons bidimensionnels aux interfaces d'oxydes ainsi que les isolants topologiques sont des systèmes prometteurs pour la détections de courants de spin pour des applications au delà de la logique CMOS.


  • Résumé

    Using a ferromagnetic layer has been the first method to obtain and detect spin currents, allowing to modify the magnetization state of an adjacent layer using spin transfer torque. However, in recent years, an alternative way to manipulate spin currents has been proposed. An emerging field of spintronics, called spin-orbitronics, exploits the interplay between charge and spin currents enabled by the spin-orbit coupling (SOC) in non-magnetic systems. An efficient current conversion can be obtained through the Spin Hall Effect in heavy metals such as Platinum or Tantalum. The conversion can also be obtained by exploiting the Edelstein Effect in Rashba interfaces and topological insulators.The spin to charge conversion by means of Inverse Edelstein Effect and inverse Spin Hall Effect can be studied by the spin pumping by ferromagnetic resonance technique. This manuscript present these two conversion mechanisms as well as the technique that was used to measure them, which is based on an electrical detection of the ferromagnetic resonance. Results on the spin to charge current conversion obtained in metals, oxide-based Rashba interfaces and topological insulators will be presented. Among these systems we have demonstrated the possibility to tune the conversion efficiency by using a gate voltage in a two-dimensional electron gas at the surface of an oxide SrTiO3. Moreover it is possible to tune this effect, a remanent way, thanks to the ferroelectricity obtained in SrTiO3 at cryogenic temperatures.Other studied systems such as topological insulators HgTe and Sb2Te3 also have promising properties for an efficient spin to charge current conversion at room temperature. In particular we showed than in HgTe by using a thin HgCdTe protective layer, it is possible to obtain a spin to charge current conversion efficiency one order of magnitude larger than in Pt.These results suggest that stwo dimensional electron gases at oxide interfaces and topological insulators have a strong potential for the efficient detection of spin currents for possible beyond CMOS applications.


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