Proximity and flux pinning effects in superconductor-ferromagnet hybrids

par Xavier Palermo

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Javier E. Villegas.

Soutenue le 30-09-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) , en partenariat avec Unité mixte de physique CNRS/Thales (Palaiseau) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Dafiné Ravelosona.

Le jury était composé de Javier E. Villegas, Dafiné Ravelosona, Alain Pautrat, Anna Palau, Nicolas Reyren, Philippe Tamarat, Cheryl Feuillet-Palma.

Les rapporteurs étaient Alain Pautrat, Anna Palau.

  • Titre traduit

    Effets de proximité et piégeage de vortex dans des hybrides supraconducteur-ferromagnétique


  • Résumé

    Les systèmes hybrides supraconducteur-ferromagnétique présentent souvent de nouveaux phénomènes physiques, et pourraient également être utiles pour concevoir de nouvelles mémoires non-volatiles et haute densité pour les circuits supraconducteurs. Cette thèse étudie deux types différents d'hybrides SF, chacun suivant une approche possible de dispositif mémoire, en se focalisant sur les aspects fondamentaux. L'un porte sur l'effet de proximité dans des hétérostructures d'oxydes. Dans celles-ci, des corrélations triplet apparaissent, qui sont à la fois supraconductrices et polarisées en spin. Elles permettraient d'utiliser des effets de la spintronique comme la GMR, mais sont également très sensibles aux propriétés d'interface. Nous les avons étudiées dans des tricouches SFS d'oxydes, par des mesures de conductance. Celles-ci montrent des oscillations, en partie liées à ces états triplets. Nous observons également que les effets d'interface affectent les propriétés électroniques du ferromagnetique, en particulier lorsque cette couche est mince. Un autre genre d'interaction se produit par les champs de fuite provenant des structures de domaines. Des propositions théoriques récentes ont suggéré que de petites structures en tourbillon appelées skyrmion peuvent interagir avec la supraconductivité par ce mécanisme. Nous avons étudié ce couplage dans des bicouches, dans lesquelles les propriétés de transport sont dominées par la dynamique des vortex supraconducteurs. Nous avons vu une augmentation du courant critique en présence de skyrmions comme de domaines. Celles-ci créent également un effet Hall inhabituel dans l'état supraconducteur. La plupart de ces propriétés peuvent être expliquées qualitativement par la dynamique et le mouvement guidé des vortex.


  • Résumé

    Superconductor-ferromagnet hybrid systems often bring about new physics and may as well be useful to design new non-volatile, high-density memory devices for superconducting electronics.In this thesis, we study two different types of SF hybrids, each following a possible approach to memory devices, but focusing on fundamental aspects. One is about the proximity effect in oxide heterostructures. In these, triplet correlations appear, that are both superconducting and spin-polarized. These enable using effects from spintronics like GMR, but are also very dependent on interface properties. We investigated these in SFS oxide trilayers by conductance measurements. These showed oscillations which may, in part, be related to these triplet states. We also observed that interface effects affect the electronic properties of the ferromagnet, especially when that layer is thin. Another type of interaction occurs through stray magnetic fields from the domain structures. Recent theoretical proposals suggested that small swirling spin textures called skyrmions could similarly interact with superconductivity through this mechanism. We investigated such coupling in bilayers, in which the superconducting vortex dynamics dominate the transport properties. We found that the presence of skyrmions and domains alike enhances the critical current. It also leads to an unusual Hall effect in the superconducting state. Most of these properties can be explained qualitatively in terms of vortex pinning and guided motion.


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