Gaz d'électrons bidimensionnels en oxyde quantique avec ferromagnétisme imprimé

Quantum oxide two-dimensional electron gases with imprinted ferromagnetism

• Auteur / Autrice : Gabriel Lazrak
• Direction : Manuel Bibes, Agnès Barthelemy
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 12/09/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Oxyde

Gaz d'électrons 2D

Spin-orbitronique

Interconversion spin-charge

Oxide

2deg

Spin-orbitronic

Spin-charge inter-conversion

Résumé

Les matériaux d'oxyde quantique possèdent un large éventail de propriétés physiques telles que le ferromagnétisme, la supraconductivité et/ou la ferroélectricité, qui sont en outre très sensibles aux stimuli externes tels que le champ électrique ou les impulsions lumineuses. Aux interfaces entre les oxydes, des phénomènes encore plus exotiques peuvent émerger, comme l'illustre le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) formé dans le SrTiO3 (STO) en faisant croître un film épitaxial de LaAlO3 ou en déposant des métaux piégeant l'oxygène comme l'Al sur le STO. Une caractéristique intéressante des 2DEG du STO est leur couplage spin-orbite (SOC) de Rashba qui confère aux bandes électroniques des textures de spin exotiques et couple le spin des électrons itinérants à leur quantité de mouvement. Cela donne la possibilité de générer des courants de spin à partir de l'application de courants de charge, et vice-versa, et donc de détecter des informations magnétiques ou de manipuler électriquement des éléments magnétiques par le biais de couples spin-orbite. De plus, nous avons récemment démontré des 2DEGs STO ferroélectriques dans lesquels les propriétés électroniques et spin-orbitales peuvent être contrôlées par la ferroélectricité, offrant de nouvelles opportunités de dispositifs en spin-orbitronique. Pour cette thèse de doctorat, nous proposons d'introduire le ferromagnétisme comme un degré de liberté supplémentaire dans les 2DEGs d'oxyde. Ceci dévoilera tout un monde de nouveaux phénomènes physiques dans la matière quantique, résultant de la combinaison/compétition de l'oxyde de fer et du ferromagnétisme. quantique découlant de la combinaison/compétition du SOC de Rashba, de l'ordonnancement magnétique, de la supraconductivité et de la ferroélectricité. Les ferromagnétiques de Rashba, les 2DEGs multiferroïques et les supraconducteurs topologiques sont parmi les états exotiques qui devraient être stabilisés. Les 2DEG ferromagnétiques seront synthétisés en faisant croître des films ultraminces d'éléments capteurs d'oxygène tels que Eu ou Fe par pulvérisation sur des monocristaux de STO et des films minces. La formation contrôlée d'oxyde d'Eu et de Fe isolant et magnétique dans ce processus imprimera un état ferromagnétique dans le 2DEG de STO. Après avoir étudié les 2DEG par spectroscopie photoélectronique à rayons X et par magnétométrie SQUID, nous structurerons les échantillons et les étudierons par des expériences de magnétotransport harmonique en fonction du champ magnétique, de la température et de la tension de grille. champ magnétique, de la température et de la tension de grille, en mettant l'accent sur la compréhension de l'interaction entre le SOC de Rashba et le ferromagnétisme. entre le SOC de Rashba et le ferromagnétisme. Transfert des échantillons sous vide poussé pour réaliser des STM à l'INSP Paris ou ARPES au Synchrotron SOLEIL sera également envisagé.

Quantum oxide materials possess a broad array of physical properties such as ferromagnetism, superconductivity and/or ferroelectricity, that are in addition very sensitive to external stimuli such as electric field or light pulses. At interfaces between oxides, even more exotic phenomena can emerge, as epitomized by the two-dimensional electron gas (2DEG) formed in SrTiO3 (STO) by growing an epitaxial film of LaAlO3 or by depositing oxygen-scavenging metals such as Al onto STO. An appealing feature of STO 2DEGs is their Rashba spin-orbit coupling (SOC) that endows the electronic bands with exotic spin textures and couples the spin of itinerant electrons to their momentum. This provides the possibility to generate spin currents from the application of charge currents, and vice-versa and thus to detect magnetic information or to manipulate magnetic elements electrically through spin-orbit torques. In addition, we recently demonstrated ferroelectric STO 2DEGs in which the electronic and spin-orbit properties can be controlled by ferroelectricity, offering new device opportunities in spin-orbitronics. For this Phd thesis, we propose to introduce ferromagnetism as an extra degree of freedom into oxide 2DEGs. This will unveil a whole world of new physical phenomena in quantummatter arising from the combination/competition of Rashba SOC, magnetic ordering, superconductivity and ferroelectricity. Rashba ferromagnets, multiferroic 2DEGs and topological superconductors are among the exotic states expected to be stabilized. The ferromagnetic 2DEGs will be synthesized by growing ultrathin films of oxygen-scavenging elements such Eu or Fe by sputtering onto STO single crystals and thin films. The controlled formation of insulating and magnetic Eu and Fe oxide in this process will imprint a ferromagnetic state into the STO 2DEG. After studying the 2DEGs by X-ray photoelectron spectroscopy and SQUID magnetometry, we will pattern the samples and study them by harmonic magnetotransport experiments as a function of magnetic field, temperature and gate voltage, with special focus on gaining insight into the interplay between Rashba SOC and ferromagnetism. Transfer of the samples in high vacuum to perform STM at INSP Paris or ARPES at Synchrotron SOLEIL will also be considered.