Nouveaux états électroniques et dispositifs dans les hétérostructures d'oxydes fortement corrélés

par Raphaël Aeschlimann

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Manuel Bibes.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Unité Mixte de Physique CNRS/Thales (UMR 137) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-09-2016 .


  • Résumé

    Les oxydes de métaux de transition possèdent une large gamme de fonctionnalités (supraconductivité, magnétisme, ferroélectricité, multiferroicity) découlant de l'interaction entre les effets structurels et les corrélations électroniques. Des travaux récents ont révélé une physique passionnante à leurs interfaces, incluant une conductivité à deux dimensions et la supraconductivité dans le gaz d'électrons qui se forment à l'interface entre deux isolateurs de bande, LaAlO3 et SrTiO3. Cependant, pour embrasser pleinement l'immense potentiel des interfaces d'oxyde et de dévoiler les phases électroniques sans précédent, combiner des isolateurs avec des corrélations électroniques fortes est nécessaire. Au carrefour de la physique des électrons fortement corrélés, de la microélectronique et de la spintronique, le présent projet de thèse vise à exploiter les instabilités électroniques et magnétiques dans les oxydes corrélés pour élaborer de nouvelles phases électroniques contrôlables par des stimuli externes. Ces phases seront générées par l'action synergique de l'ingénierie de contrainte, la reconstruction interfaciale de charge/orbite/spin et le contrôle de la connectivité des octaèdres, en utilisant les titanates de terre rare RTiO3 isolants de Mott-Hubbard comme modèles. Les états émergents prévus comprennent un gaz d'électrons 2D avec un ordre ferroïque, de la supraconductivité à température relativement élevée, des états topologiques et de nouvelles formes de multiferroicité et de couplage magnétoélectrique. Se fondant sur notre récente découverte d'un nouvel état ferromagnétique-like à l'interface GdTiO3 / de RNiO3 (Nature Phys. 2016), le projet aura deux objectifs principaux. D'une part, - étudier plus en avant la physique intime des interfaces RTiO3 / RNiO3 en explorant d'autres composés de titanate (DyTiO3, TmTiO3, etc), systématiquement varier les épaisseurs de film et le traitement des effets de déformation épitaxiales. - fonctionnaliser ces nouveaux états d'interface et les intégrer dans des dispositifs perpendiculaires (jonctions tunnel) et parallèles (transistor à effet de champ), visant des effets purement électroniques d'électrorésistence géante et de nouvelles pistes pour le transport de spin contrôlé électriquement. La thèse fera partie d'une ERC Consolidator Grant (2014-2019) fixé par le superviseur et aura lieu au sein du groupe Oxitronics du laboratoire CNRS / Thales à Palaiseau. Le groupe dispose d'une solide expérience dans la croissance et la physique des hétérostructures d'oxydes épitaxiées avec des fonctionnalités ferroélectriques, magnétiques ou multiferroïques. Ce projet expérimental impliquera la croissance échantillon dans une installation suivant l'état de l'art, combinant des chambres de dépôt couplées pour l'oxyde et la croissance mince métallique, la caractérisation par des techniques de spectroscopie avancées en in situ et dans les grandes installations (SOLEIL, HZB Berlin), la structuration par lithographie optiques ou laser, la magnétométrie et magnétotransport dans les hétéro- et nanostructures.Suivi

  • Titre traduit

    Novel electronic states and devices in strongly correlated oxide heterostructures


  • Résumé

    Transition metal oxides possess a broad range of functionalities (superconductivity, magnetism, ferroelectricity, multiferroicity) stemming from the interplay between structural effects and electronic correlations. Recent work has revealed exciting physics at their interfaces, including two-dimensional (2D) conductivity and superconductivity in the electron gas that forms at the interface between two band insulators, LaAlO3 and SrTiO3. However, to embrace the immense potential of oxide interfaces and unveil unprecedented electronic phases, combining insulators with stronger electronic correlations is necessary. At the crossroad between strongly-correlated electron physics, microelectronics and spintronics, the present thesis project aims to harness electronic and magnetic instabilities in correlated oxides to craft new electronic phases controllable by external stimuli. These phases will be generated by the synergic action of strain engineering, interfacial charge/orbital/spin reconstruction and octahedra connectivity control, using rare-earth titanate RTiO3 Mott-Hubbard insulators as templates. Emerging states that are foreseen include 2D electron gases with ferroic order, superconductivity at relatively high temperature, topological states and new forms of multiferroicity and magnetoelectric coupling. Building upon our recent demonstration of a novel ferromagnetic-like state at GdTiO3/RNiO3 interfaces (Nature Phys. 2016), the project will have two main objectives. On one hand, we will investigate further the intimate physics of RTiO3/RNiO3 interfaces by exploring other titanate compounds (DyTiO3, TmTiO3, etc), systematically varying the film thicknesses and addressing epitaxial strain effects. On the other hand, we will functionalize these new interface states and integrate them into perpendicular (tunnel junctions) and parallel (field-effect transistor) devices, aiming at purely electronic, correlation-driven giant electroresistance effects and new schemes for electrically-controlled spin transport. The thesis will be part of an ERC Consolidator Grant (2014-2019) secured by the supervisor and will take place within the Oxitronics group of the CNRS/Thales laboratory in Palaiseau. The group has a strong experience in the growth and the physics of epitaxial oxide heterostructures with ferroelectric, magnetic or multiferroic functionalities. This experimental project will involve sample growth in a state-of-the art facility combining coupled deposition chambers for oxide and metal thin growth, characterization by advanced spectroscopy techniques in-house and at large facilities (SOLEIL, HZB Berlin), patterning by optical or laser lithography, magnetometry and magnetotransport in hetero and nanostructures.