Conversion spin-charge dans les systemes isolants topologiques/materiaux magnetiques

par Diana She

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Jean-Marie George, Aristide Lemaitre et de Patrick Lefevre.

Thèses en préparation à université Paris-Saclay , dans le cadre de Physique en Ile de France , en partenariat avec Unité Mixte de Physique CNRS/Thalès (laboratoire) et de Faculté des sciences d'Orsay (référent) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Le projet de doctorat porte sur l'étude de la conversion courant de charge en courant de spin et vice versa dans l'isolant topologique BiSb. Un effort important sera consacré à la croissance MBE visant à contrôler les propriétés interfaciales structurelles et électroniques des nouvelles hétérostructures TI/couches ferromagnétiques. Trois laboratoires seront impliqués dans les travaux de doctorat portant sur ce sujet. Notamment le C2N qui a récemment commencé l'étude de la croissance par épitaxie par jets moléculaires de BiSb, les chercheurs de la ligne CASSIOPEE au synchrotron SOLEIL (Spectroscopie de photoémission en angle resolu -ARPES) et UMPhy pour les propriétés de magnéto-transport et spintroniques. Les travaux de thèse porteront d'abord sur le contrôle des états de surface dans BiSb et InSb et puis sur la croissance du semi-conducteur ferromagnétique dilue avec une aimantation perpendiculaire GaMnAsP (Tc=200K). Le grand avantage par rapport aux systèmes TI/couchesferromagnétiques déjà existants est que ces matériaux peuvent être élaborés dans la même enceinte et ont été synthétisés avec succès au C2N. L'enjeu sera de faire croitre BiSb ou InSb sur les couches fines de GaMnAsP. De plus, il sera également possible d'explorer des composants de MnBi et de MnSb avec des températures de Curie supérieures à la température ambiante. Les propriétés de structure seront étudiées par réflectivité des rayons X (UMPhy, C2N) et par microscopie électronique à transmission (C2N). Les propriétés électroniques seront étudiées par ARPES et SARPES (SOLEIL) et par magnétotransport (UMPhy). Les propriétés magnétiques du GaMnAsP seront étudiées par MFM à basse température (UMPhy) et le renversement de l'aimantation par l'effet Edelstein sera étudiée en mesurant l'effet Hall Anormal dans une géométrie de croix de Hall (UMPhy). Pour les matériaux ferromagnétiques dont la température de Curie est supérieure à la température ambiante, comme le MnSb et le MnBi, la dynamique de l'aimantation avec des courants pulsés sera sondée par la microscopie Kerr, ajoutant ainsi un outil complémentaire au magnétotransport.

  • Titre traduit

    Spin-charge interconversion in topological insulators/ magnetic systems


  • Résumé

    The PhD work is on spin to charge current conversion study from a BiSb topological insulator. A large effort will be dedicated to MBE growth aiming at the control of structural and electronic interfacial properties of new TI/Ferromagnetic heterostructures. Three laboratories will be mainly involved in the PhD work addressing this topic. It will involve C2N which has recently started the study of BiSb MBE growth, the researchers from the CASSIOPEE beamline at Synchrotron SOLEIL (Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy-ARPES) and Spin Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy -SARPES)) and UMPhy for the magneto-transport and spintronic properties. The PhD work will first focus on the control of surface states in BiSb [HSIE2008,BEIN2015] and InSb [VERG2019] and then on the growth of a ferromagnetic diluted magnetic semiconductor with perpendicular magnetization that will be GaMnAsP (Tc = 200 K). The main advantage compared to existing other TI/ferromagnetic systems is that all these materials can be elaborated in the same chamber and have been already successfully grown separately by C2N [LEMA2208]. The main challenge will be then the ability to grow BiSb or InSb on top of thin layers of GaMnAsP. Moreover, it will be also possible to explore MnBi and MnSb compounds with Curie temperatures above room temperature. The structural properties will be investigated by X-ray reflectivity (UMPhy, C2N) and Transmission Electron Microscopy (C2N). The electronic properties will be probed by ARPES and SARPES (SOLEIL) and magnetotransport (UMPhy). The magnetic properties of GaMnAsP will be probed by low temperature MFM (UMPhy) and magnetization reversal using the Edelstein effect from the TI will be probed by measuring the Anomalous Hall Effect in a Hall bar geometry (UMPhy). For ferromagnetic materials with Curie temperatures above room temperature like MnSb and MnBi, the magnetization dynamics with pulse currents will be probed by Kerr microscopy adding a complementary tool to magnetotransport.