Commutation résistive par effet de champs électriques et de spin dans des dispositifs à base de supraconducteurs à haute température critique

Electrical and spin switching effects in high-temperature superconducting devices

• Auteur / Autrice : Aurélien Lagarrigue
• Direction : Javier E. Villegas, Javier Briatico, Juan Trastoy Quintela, Salvatore Mesoraca
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....) - Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie Poirier-Quinot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Pautrat, Anna Palau, Brigitte Leridon, Carlos León
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alain Pautrat, Anna Palau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétorésistance

Spintronique

Memristors

Manganites

Cuprates

Supraconductivité

Mots clés libres

Supraconductivité

Cuprate

Manganite

Memristor

Vanne de spin

Magnétorésistance

Superconductivity

Cuprate

Manganite

Memristor

Spin valve

Magnetoresistance

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude de dispositifs à base d'oxydes supraconducteurs à haute température, dans lesquels un comportement de commutation de la supraconductivité est produit par application de champs électriques dans des structures de type transistor ou de champs magnétiques dans des vannes de spin. YBa₂Cu₃O₇₋ₓ (YBCO) est un cuprate supraconducteur à haute température critique (Tc) avec un diagramme de phase riche et complexe en fonction de la température et du dopage, dont la Tc dépend à la fois du désordre et de la stœchiométrie en oxygène. Un moyen possible pour contrôler sa teneur en oxygène est de déposer par-dessus un matériau réducteur et de profiter de la réaction chimique d'oxydoréduction se produisant spontanément à l'interface. Ce mécanisme est ici exploité dans un dispositif de type transistor dans lequel une grille en aluminium est placée sur un canal d'YBCO. Je démontre que l'application de tensions de grille permet de créer un mouvement d'ions oxygène entre les deux matériaux, produisant un effet memristor réversible et non volatile de la conductance à l'interface. De plus, le canal supraconducteur est affecté de manière irréversible par l'application de la tension de grille : la température critique diminue progressivement jusqu'à ce qu'un état isolant soit atteint. Je montre que cet effet est le résultat d'une migration d'oxygène activée thermiquement par effet Joule. Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de dispositifs à commutation résistive basés sur une transition de phase supraconducteur-isolant activée électriquement. Dans la deuxième partie, j'exploite l'interaction entre la supraconductivité et le ferromagnétisme, deux phénomènes généralement antagonistes du fait de l'incompatibilité de l'état singulet (spins opposés) des paires de Cooper et de la polarisation de spin induite par l'interaction d'échange ferromagnétique. Ceci est réalisé dans des vannes de spin, qui consistent généralement en deux couches ferromagnétiques séparées par une fine couche d'un matériel non magnétique et sont caractérisées par un état de faible résistivité lorsque les aimantations sont parallèles (pointant dans la même direction) et un état de forte résistivité lorsque les aimantations sont antiparallèles (pointant dans des directions opposées). Dans cette thèse, j'étudie un type spécifique de dispositif vanne de spin, appelé vanne de spin supraconductrice (VSS), dans lequel la couche centrale est constituée d'un matériau supraconducteur. La magnétorésistance de dispositifs formés d'YBCO et de deux couches de manganites demi-métalliques La₁₋ₓSrₓMnO₃ (LSMO) ou La₁₋ₓCaₓMnO₃ (LCMO) est mesurée lors de l'application d'un champ magnétique orthogonal à la direction du courant. Je mets en évidence une inversion de la magnétorésistance d'un comportement positif vers un comportement négatif, caractérisée par un état faiblement résistif alors que les aimantations des couches ferromagnétiques sont dans la configuration antiparallèle. Cette inversion peut être déclenchée en faisant varier la température, en changeant le sens du courant ou en modifiant l'angle d'incidence du champ magnétique. Bien qu'un tel renversement de la magnétorésistance ait déjà été observé dans des VSS à base de supraconducteurs basse Tc, mon travail démontre non seulement la possibilité de concevoir des dispositifs similaires tout en utilisant des supraconducteurs haute Tc, mais introduit également de nouveaux mécanismes d'inversion, avec des applications potentielles pour les mémoires magnétiques cryogéniques.

This thesis focuses on the study of devices based on high-temperature superconducting oxides, in which a switching behavior is produced by exploiting either electric fields in transistor-like structures, or magnetic fields in spin-valve schemes. YBa₂Cu₃O₇₋ₓ (YBCO) is a high critical temperature (Tc) cuprate superconductor with a rich and complex temperature-doping phase diagram, whose Tc depends both on disorder and oxygen stoichiometry. One possible way to control its oxygen content is to deposit a reducing material on top of it and take advantage of the redox chemical reaction spontaneously occurring at the interface. This mechanism is exploited here in a transistor-like device in which an aluminum gate is placed on a YBCO channel. I demonstrate that application of gate voltages allows oxygen ions to be driven back and forth between the two materials, producing a reversible, non-volatile memristive switching of the interface's conductance. In addition, the superconducting channel is non-reversibly affected by the gating: upon increasing the gate voltage, the critical temperature gradually decreases until an insulating state is reached. I show that this effect is the result of a thermally activated migration of oxygen due to Joule dissipation. This work paves the way for a new generation of resistive switching devices based on an electrically driven superconductor-to-insulator phase transition. In the second part, I exploit the interaction between superconductivity and ferromagnetism, two phenomena that are generally antagonistic due to the incompatibility of the singlet (opposite spins) Cooper pairing and exchange-field induced spin polarization. This is realized in spin-valves, which usually consist of two ferromagnetic layers sandwiching a non-magnetic spacer and are characterized by a low-resistivity state when the two ferromagnetic layers' magnetizations are parallel (pointing in the same direction) and a high-resistivity state when they are antiparallel (pointing in opposite directions). In this thesis, I study a specific kind of spin-valve device, called a superconducting spin-valve (SSV), in which the spacer is made of a superconducting material. The magnetoresistance of SSV devices made from YBCO and the half-metallic manganites La₁₋ₓSrₓMnO₃ (LSMO) and La₁₋ₓCaₓMnO₃ (LCMO) is measured while applying an external in-plane magnetic field. I evidence the switching behavior from a positive to a superconducting spin-valve effect, characterized by a low-resistive state while the magnetizations of the ferromagnetic layers are in the anti-parallel configuration. This switching mechanism can be triggered by varying the temperature, changing the reading current, or modifying the angle of incidence of the applied magnetic field. Although such a switching has been observed in low-temperature SSV before, my work not only demonstrates the possibility to engineer similar types of devices using cuprate superconductors but also introduces new trigger mechanisms, with potential applications for cryogenic magnetic memories.