Contrôle des états Rashba par la ferroélectricité

par Julien Brehin

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Manuel Bibes et de Agnès Barthelemy.

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 (Palaiseau) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    La croissance exponentielle de l'efficacité de nos ordinateurs est basée sur des transistors dont la taille décroit de moitié tous les 18 mois. Cette miniaturisation approche cependant ses limites. Ceci nécessite de concevoir de nouveaux composants innovants plus performant et consommant moins d'énergie basés sur des matériaux non traditionnels présentant des propriétés nouvelles dérivées des avancées fondamentales en physique de la matière condensée. La spintronique est une approche particulièrement prometteuse pour le traitement de l'information. Les nouveaux développements de cette électronique s'appuient sur le couplage spin-orbite qui rend possible la génération et la détection de courants de spin purs à partir de courants de charge avec une meilleure efficacité qu'une approche basée sur les matériaux ferromagnétiques. Les matériaux utilisés pour le moment pour réaliser cette conversion entre courant de spin et courant de charge ne présentent pas le caractère non volatile des ferromagnétiques qui permet de retenir l'information sans consommation d'énergie. Le sujet de recherche proposé pour cette thèse vise à combiner les avantages du couplage spin orbite de type Rashba qui apparait aux interfaces et surfaces pour une interconversion spin-charge efficace avec une autre famille de systèmes ferroïques que sont les ferroélectriques. Dans un ferroélectrique, la polarisation macroscopique qui résulte d'un ordre dipolaire à longue portée, présente une dépendance hystérétique avec le champ électrique (tout comme l'aimantation à une dépendance hystérétique avec le champ magnétique dans un matériau ferromagnétique). Cette polarisation peut être utilisée pour accumuler ou dépléter de larges densités de porteurs dans un matériau adjacent, modifiant ainsi ses propriétés de manière non volatile. Plus précisément, la polarisation ferroélectrique sera utilisée pour moduler le couplage spin-orbite de type Rashba qui apparait aux interfaces de par la brisure de symétrie d'inversion, et donc la conversion courant de spin-courant de charge. Cette thèse combinera matériaux ferroélectriques et gaz bidimensionnels de type Rashba qui apparaissent aux interfaces entre les isolants SrTiO3 et le LaAlO3 ou AlOx. Elle tirera profit de la possibilité d'induire la ferroélectricité dans SrTiO3 par l'application de larges champs électriques ou par substitution partielle du Sr par des ions Ca. Elle explorera l'influence de la ferroélectricité sur les propriétés électroniques et la capacité de conversion spin-charge par les effets Edelstein direct et inverse du gaz bidimensionnel. Dans un second temps, des portes logiques basées sur des courants de spin purs obtenus dans des gaz Rashba et contrôlées de manière non volatile par un matériau ferroélectrique seront conçues et évaluées. Les échantillons seront élaborés au laboratoire par combinaison d'ablation par laser pulsé et pulvérisation cathodique. Les propriétés ferroélectriques seront caractérisées par des mesures de cycle de polarisation et possiblement par microscopie à force piézoélectrique. La réponse électronique du gaz sera étudiée par mesures de magnétotransport et spectroscopie de photoémission résolue en angle.

  • Titre traduit

    Ferroelectric control of Rashba states


  • Résumé

    After 50 years of increase in computing efficiency, the technology of today's microelectronics is approaching its limits. Most significantly, new schemes must be devised to contain the power consumption of information and communication systems. This requires the introduction of non-traditional materials with novel properties, derived from fundamental advances of condensed matter physics. One particularly promising approach for information processing is spintronics, a very active field of research that involves the intimate interaction of the magnetic and electronic structure with spin currents. While classical spintronics has traditionally relied on ferromagnetic metals as spin generators and spin detectors, spin-orbit effects now make it possible to generate and detect spin currents from charge currents, with greater efficiency. However, current materials to achieve this spin/charge interconversion do not possess the non-volatile character of ferromagnets that endows them with the ability to retain information without power consumption. The proposed research for this PhD thesis aims to combine the advantages of Rashba-type spin-orbit phenomena for efficient spin/charge interconversion with another family of ferroic systems, ferroelectrics. In a ferroelectric, long-range-ordered electric dipoles add up to form a macroscopic polarization that shows a hysteretic dependence with electric field (just like magnetization is hysteretic with magnetic field in a ferromagnet). Ferroelectrics canhouse intense electric fields and accumulate or deplete very large carrier densities in adjacent materials, thereby modifying their properties in a non-volatile fashion. Precisely, the Rashba spin-orbit coupling appears at surfaces or interfaces where inversion symmetry breaking results in an out-of-plane electric field. At an interface with a ferroelectric, the local electric field will depend on the polarization direction, and the Rashba spin-orbit coupling will be modified, allowing for a non-volatile electrical control of spin/charge interconversion. For this thesis, we propose to incorporate ferroelectricity as a new ingredient into the physics of Rashba 2-dimensional electron gases (2DEG) that form at the interface between SrTiO3 and insulators such as LaAlO3 or Al2O3. We will take advantage of the possibility to induce a ferroelectric character in SrTiO3 by the application of large electric fields or the partial substitution of Sr by Ca. We will explore the influence of ferroelectricity in the 2DEG on its electronic properties and on its capacity to interconvert spin and charge currents by the direct and inverse Edelstein effects. In a second stage we will design devices based on ferroelectric-Rashba interfaces with a view towards all-electrical non-volatile logical devices operating with spin currents but free from ferromagnets. The samples will be elaborated in the lab by a combination of pulsed laser deposition (PLD) and sputtering. Their ferroelectric properties will be characterized by the measurement of polarization loops and possibly through piezoresponse force microscopy, and the electronic response by magnetotransport and angle-resolved photoemission spectroscopy.