Hétérostructures d'oxydes pour le contrôle électrique des états Rashba

par Gaétan Verdierre

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Manuel Bibes et de Gertjan Koster.

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

    Alors que la spintronique classique s'est traditionnellement appuyée sur les métaux ferromagnétiques comme générateurs et détecteurs de spin, les effets d'orbite de spin permettent désormais de générer et de détecter efficacement des courants de spin à partir de courants de charge dans des architectures exemptes de ferromagnétiques. Cependant, les matériaux existants capables d'obtenir cette interconversion spin/charge ne possèdent pas le caractère non volatil des ferromagnétiques requis pour le stockage et le traitement de données non volatiles. Les recherches proposées pour ce stage visent à combiner les avantages du couplage spin-orbite de type Rashba (RSOC) pour une interconversion efficace entre les courants de spin et de charge avec une autre famille de systèmes ferro-électriques, les ferroélectriques. Le RSOC apparaît dans les systèmes dont la symétrie d'inversion est rompue, et est plus fort en présence d'éléments lourds. Les ferroélectriques rompent intrinsèquement la symétrie d'inversion et pourraient donc abriter des RSOC. En prime, la commutation de la polarisation du ferroélectrique avec un champ électrique devrait changer le signe du RSOC et donc la polarité avec laquelle le matériau interconvertirait le spin en charge via l'effet Edelstein.De plus, les ferroélectriques peuvent accumuler ou épuiser de très grandes densités de porteurs dans les matériaux adjacents et ainsi générer des champs électriques à l'interface qui dépendraient de la direction de la polarisation ferroélectrique. Il en résulterait un RSOC interfacial qui devrait également être accordable, permettant un contrôle électrique non volatil de l'interconversion spin/charge. Pour ce projet de thèse, nous proposons de concevoir deux types d'hétérostructures de couches minces ferroélectriques avec RSOC commutable : (i) un matériau monophasé, SrBiO3, dont nous avons prédit qu'il deviendrait ferroélectrique avec un RSOC activable à la compression (ii) un système d'interface combinant le BaTiO3 ferroélectrique bien connu avec le BaRuO3, dont on prévoit également qu'il aura un RSOC activable.

  • Titre traduit

    Oxide heterostructures for the electrical control of Rashba states


  • Résumé

    While classical spintronics has traditionally relied on ferromagnetic metals as spin generators and spin detectors, spin-orbit effects now make it possible to efficiently generate and detect spin currents from charge currents in architectures free from ferromagnets. However, existing materials able to achieve this spin/charge interconversion do not possess the non-volatile character of ferromagnets required for non-volatile data storage and processing. The proposed research for this internship aims to combine the advantages of Rashba-type spin-orbit coupling (RSOC) for efficient interconversion between spin and charge currents with another family of ferroic systems, ferroelectrics. RSOC appears in systems with broken inversion symmetry, and is stronger in the presence of heavy elements. Ferroelectrics intrinsically break inversion symmetry and could thus harbour RSOC. As a bonus, switching the polarization of the ferroelectric with an electric field should switch the sign of the RSOC and thus the polarity with which the material would interconvert spin into charge via the Edelstein effect. In addition, ferroelectrics can accumulate or deplete very large carrier densities in adjacent materials and thus generate interfacial electric fields that would depends on the ferroelectric polarization direction. This would result in an interfacial RSOC that should also be tunable, allowing for a non-volatile electrical control of spin/charge interconversion. For this PhD project we propose to design two types of ferroelectric thin film heterostructure with switchable RSOC: (i) a single phase material, SrBiO3, that we predicted to become ferroelectric with switchable RSOC at compressive strain; (ii) an interface system combining the well-known ferroelectric BaTiO3 with BaRuO3, also predicted to harbour a switchable RSOC.