Emission térahertz par interactions spin-orbite d'interface

par Enzo Rongione

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Henri Jaffres, Sukhdeep Dhillon et de Romain Lebrun.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de Physique en Île de France , en partenariat avec Unité Mixte de Physique CNRS/Thalès (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2019 .


  • Résumé

    L'objet de cette thèse est l'étude expérimentale et la modélisation de l'émission térahertz dans le domaine temporel sub-picoseconde TDS (Time Domain Spectroscopy) d'hétérostructures spin-orbitroniques. Ces dernières sont constituées i) de métaux de transition 3d/5d utilisant l'effet Hall de spin (Spin Hall Effect ou SHE en anglais) ou ii) de gaz électroniques bidimensionnels (2DEG) à l'interface d'hétérostructures d'oxydes LAO/STO, siège d'interactions Rashba responsable de l'effet Edelstein inverse (Inverse Edelstein effect ou IEE en anglais). Cette thèse, réalisée à l'Unité Mixte de Recherche CNRS-Thales en collaboration avec Thales Research and Technology (TRT) et le laboratoire de physique de l'ENS (LPENS), s'articule autour de plusieurs axes complémentaires de recherche, à la fois expérimentaux, théoriques et numériques. Nous étudierons dans un premier temps le pouvoir d'émission térahertz de la famille des métaux de transition 3d/5d tel le couple Co/Pt (SHE) par ingénierie atomique d'interface innovante (inclusion de mono-couches nanométriques de métaux de transition). Nous ferons également l'investigation de structures LAO/STO à fort pouvoir d'émission de par leurs hautes performances de conversion courant de spin - courant de charge comparées au matériau définissant l'état de l'art de nos jours (à savoir ZnTe). À côté de cette approche expérimentale, nous cherchons à prédire la forme et le contrôle de l'émission térahertz ainsi que les propriétés de spin associées aux couches considérées en alliant théorie (par matrice de diffusion dynamique, modèle de Buttiker, etc.) et aspects numériques (développement Python des propriétés électroniques par modèle des liaisons fortes). Cette approche sera couplée à différentes méthodes de caractérisations avancées tels que la spectroscopie dans le domaine temporel (TDS), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), l'injection de spin dynamique par résonance ferromagnétique (FMR) ou spin-pumping. La complémentarité de ces réalisations expérimentales permettra d'isoler les principales difficultés déjà projetées et d'apporter les solutions adéquates, notamment aux problèmes de spin-loss ou encore pour l'optimisation des longueurs effectives des conversions. Un autre axe développé au cours de cette thèse sera la mesure et le contrôle électronique de la polarisation électrique du signal térahertz par application d'un champ magnétique externe en vue d'applications industrielles utilisant les méthodes ellipsométriques, le contrôle non-destructif ou encore la spectroscopie térahertz.

  • Titre traduit

    Terahertz emission using interfacial spin-orbit interactions


  • Résumé

    The aim of this doctoral theis is the experimental study and the numerical modelling of the terahertz emission in the sub-picosecond time domain using Time Domain Spectroscopy (TDS) on spin-orbitronic heterostructures. These structures are first made of 3d/5d transition metals Spin Hall Effect (SHE) or are made, in a second way, of bidimensional electronic gasses (2DEG) at the interface of oxides LAO/STO heterostructures where Rashba interations occur leading to the so-called Inverse Edelstein Effect (IEE). This doctoral thesis, realised at Unité Mixte de Recherche CNRS-Thales and in collaboration with Thales Research and Technology (TRT) and Laboratoire de Physique de l'ENS (LPENS), is built around complementary research axis which are experimental, theoretical and numerical axis. We will explore in a first time the terahertz emission power of material coming from 3d/5d transition metals family as the Co/Pt (SHE) couple by innovative interfacial atomic engineering (inlay of nanometric monolayers of transition metal). Moreover, we will investigate on LAO/STO structures from which we could obtain high emission power coming from their high spin-to-charge conversion compared to the current material couple defining the state of the art nowadays (i.e. ZnTe). Along this experimental research path, we will strive to predict the shape and the control of the terahertz emission as spin properties considered with respect to theoretical (dynamical scattering matrix, Buttiker model, etc.) and numerical (Python development of electronic properties using tight-binding implementation) modelling. This approach will be coupled with several advanced characterisation methods such as Time Domain Spectroscopy (TDS), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), spin dynamical injection by Ferromagnetic Resonance (FMR) or spin-pumping realisations. Complementarity of the experiments will allow us to isolate main issues already envisaged and bring suitable solutions, especially about spin-loss problems or for optimisation of effective conversion lengths. Another research axis developed during this doctoral thesis is the measurement and electronic control of terahertz signal electric polarisation by applying a external magnetic field to put into perspectives with industrial and academic applications such as ellipsometry methods, non-destructive control or terahertz spectroscopy.