Étude d'états de surface topologiques en vue de leur intégration dans des dispositifs d'électronique de spin

par Quentin Barbedienne

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Marie George.

Soutenue le 10-12-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , 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 Véronique Brouet.

Le jury était composé de Jean-Marie George, Véronique Brouet, Jean-Philippe Attané, Jean-Noël Fuchs, Philippe Ballet.

Les rapporteurs étaient Thomas Hauet, Jean-Philippe Attané.


  • Résumé

    La spintronique classique utilise généralement des matériaux magnétiques pour produire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Un autre moyen, plus récemment étudié, consiste à utiliser le couplage spin-orbite (SOC). Il permet de produire un courant de spin pur selon une direction transverse au courant de charge en tenant compte des principes de la mécanique quantique relativiste. Dans les matériaux à fort couplage spin-orbite, les courants de spin ainsi produits sont suffisamment importants pour imaginer les utiliser pour la commutation magnétique dans les dispositifs spintroniques. Le couplage spin-orbite, correspondant à une correction relativiste dans les équations du mouvement de l’électron, particule de spin 1/2, peut être grand dans des matériaux contenant des atomes lourds. Cela signifie qu’une conversion du courant de charge en courant de spin peut être obtenue en utilisant les propriétés de systèmes à fort SOC tel que le platine (Pt), le tungstène (W) ou le tantale (Ta), par exemple. Depuis peu, des systèmes électroniques bidimensionnels (2DEG), obtenus au niveau d’interfaces ou de surfaces particulières, ont démontré des propriétés permettant des effets d’inter-conversion particulièrement efficaces. En particulier des états Rashba ou des systèmes d’isolants topologiques, suscitent actuellement un fort engouement dans la communauté de la spintronique pour cette faculté d’inter-conversion spin-charge.Dans ce cadre particulier, depuis une dizaine d’années, les isolants topologiques ont été étudiés pour leurs propriétés électroniques non conventionnelles qui prennent racine dans la définition théorique de l’effet Hall quantique entier donnée par Thouless, ainsi que dans les travaux de Haldane dans le graphène et de Kane dans des systèmes semi-conducteurs à faible bande interdite pourvus d’un SOC fort. Ces systèmes 2D présentent des propriétés électriques intrigantes : ils sont isolants en volume et conducteurs en surface. Ces états de conductions sont pourvus d’une dispersion linéaire en énergie en fonction du vecteur d’onde k, comme dans le cas du graphène, avec une hélicité en spin déterminée.De nombreuses questions restent néanmoins ouvertes quant à la compréhension des mécanismes à l’origine de ces états de conduction en surface, mais également quant à la manière la plus simple de détecter ces états topologiques. En vue de leur intégration dans des dispositifs spintroniques et de la réalisation d’interface TI/Matériaux ferromagnétiques un certain nombre de questions se posent : comment préserver la nature des états topologiques à l’interface ? Quels matériaux utiliser et quelle est la nature atomique de l’interface (diffusion atomique) ? Quels sont les échanges électroniques à l’interface ? Etc.L’une des applications utilisant les propriétés des isolants topologiques, est d’utiliser les propriétés de conversion du courant de charge en courant de spin (et vice versa) afin de modifier ou commuter l’aimantation d’un élément ou mémoire ferromagnétique déposé directement (ou séparé par une couche tampon) sur le matériau topologique lui-même. Un tel système de bicouches ou multi-couches devrait être capable de s’intégrer dans une mémoire vive magnétique (MRAM) ou d’accroître le potentiel des disques électroniques (SSD) en raison du caractère permanent et non volatile de l’état d’aimantation du matériau. C’est dans ce cadre que s’inscrit cette thèse.

  • Titre traduit

    Study of topological surface states for spintronic devices


  • Résumé

    Conventional spintronics generally uses magnetic materials to produce a spin current from a current of charge. Another means, more recently studied, is the use of spin-orbit coupling (SOC). It makes possible to produce a pure current of spin in a direction transverse to the charge current, taking into account the principles of relativistic quantum mechanics. In materials with strong spin-orbit coupling, the spin currents are large enough to imagine using them for magnetic switching in spintronic devices. The spin-orbit coupling, corresponding to a relativistic correction in the equations of motion of the electron, a spin 1/2 particle, can be large in materials containing heavy atoms. This means that a conversion from charge current to spin current can be obtained using the properties of SOC systems such as platinum (Pt), tungsten(W) or tantalum (Ta) for example. Recently 2 dimensionnal electronic gas (2DEG), obtained at particular interfaces or surfaces, have demonstrated properties allowing particularly effective inter-conversion effects. In particular Rashba states or topological insulator systems, are currently arousing a strong interest in the spintronics community for this faculty of spin-charge conversion.In this particular context, over the last ten years or so, topological insulators have been studied for their electronic properties which are rooted in the theoretical definition of the integer quantum Hall effect given by Thouless, as well as in the work of Haldane in graphene and Kane in low bandgap semiconductor systems with a strong SOC. These systems have intriguing electrical properties: they are insulating in volume and conductive on the surfaces. These conductivity states have a linear energy dispersion as a function of the k-wave vector, as in the case of the graphene, with a determined spin helicity.Nevertheless, many questions remain open as the understanding of the mechanisms at the origin of these states of surface conduction, but also as to the simplest way to detect these topological states. In order to integrate in spintronic devices and to realize TI/Ferromagnetic materials interface, a number of questions arise: how to preserve the nature of the topological states at the interface? What materials should be used and what is the atomic nature of the interface (inter-mixing) ? What are the electronic exchanges at the interface? Etc.One of the applications using the properties of topological insulators, is to use the conversion properties of the charge current to spin current in order to modify or switch the magnetization of a ferromagnetic element or memory deposited directly (or separated by a buffer layer) on the topological material itself. Such a two-layer system or multilayer should be capable of integration into a magnetic random access memory (MRAM) or of increasing the potential of disks (SSD) due to the permanent and non-volatile nature of the magnetisation state of the material. This is framework of this thesis.


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