Letteratura scientifica selezionata sul tema "Spinorbitronic"

Abstract Considering the growing interest in magnetic materials for unconventional computing, data storage, and sensor applications, there is active research not only on material synthesis but also characterisation of their properties. In addition to structural and integral magnetic characterisations, imaging of magnetization patterns, current distributions and magnetic fields at nano- and microscale is of major importance to understand the material responses and qualify them for specific applications. In this roadmap, we aim to cover a broad portfolio of techniques to perform nano- and microscale magnetic imaging using SQUIDs, spin center and Hall effect magnetometries, scanning probe microscopies, x-ray- and electron-based methods as well as magnetooptics and nanoMRI. The roadmap is aimed as a single access point of information for experts in the field as well as the young generation of students outlining prospects of the development of magnetic imaging technologies for the upcoming decade with a focus on physics, materials science, and chemistry of planar, 3D and geometrically curved objects of different material classes including 2D materials, complex oxides, semi-metals, multiferroics, skyrmions, antiferromagnets, frustrated magnets, magnetic molecules/nanoparticles, ionic conductors, superconductors, spintronic and spinorbitronic materials.

Abstract Interfacing magnetism with superconductivity gives rise to a wonderful playground for intertwining key degrees of freedom: Cooper pairs, spin, charge, and spin-orbit interaction, from which emerge 
a wealth of exciting phenomena, fundamental in the nascent field of superconducting spinorbitronics and topological quantum technologies. Magnetic exchange interactions (MEI), being isotropic or chiral such as the Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI), are vital in establishing the magnetic behavior at these interfaces as well as in dictating not only complex transport phenomena, but also the manifestation of topologically trivial or non-trivial objects. Here, we propose a methodology enabling the extraction of the tensor of MEI from electronic structure simulations accounting for superconductivity. We apply our scheme to the case of a Mn layer deposited on Nb(110) surface and explore proximity-induced impact on the MEI. The latter are weakly modified by a realistic electron-phonon coupling. However, tuning the superconducting order parameter, we unveil potential change of the magnetic order accompanied with chirality switching, as induced by the interplay of spin-orbit interaction and Cooper pairing. Owing to its simple formulation, our methodology can be readily implemented in state-of-the-art frameworks capable of tackling superconductivity and magnetism. We thus foresee implications in the simulations and prediction of topological superconducting bits as well as \new{of} cryogenic superconducting hybrid devices involving magnetic units.

Ce travail de thèse est essentiellement consacré au développement de la théorie de transport tunnel k.p 14, 30 et 40 bandes pour une application à la spinorbitronique avec semiconducteur. La spinorbitronique associe les effets de spin et d’orbite, qui par l’intermédiaire du couplage spin-orbite, introduit des propriétés de transport nouvelles comme les effets Hall de spin et tunnel Hall anormal. Ce dernier se caractérise par une déflection de la trajectoire des porteurs polarisés selon la direction transverse de leur flux. D’autres effets caractéristiques concernent i) les mécanismes de transfert de spin permettant de commuter une aimantation par transfert de moment angulaire, généralisant ainsi le transfert de spin ainsi que ii) la conversion spin-charge médiés par les termes Rashba ou Dresselhaus. Dans ce cadre, notre théorie de transport tunnel est adaptable aux hétérostructures semiconductrices, magnétiques ou non, traitant d’une simple interface ou de jonctions tunnel. Elle permet de tenir compte de façon fine des interactions spin-orbite de cœur et d’interface. Elle utilise de façon générale l’introduction de bandes hautes supplémentaires, dites fantômes, pour traiter les états spurious inhérents à la théorie k.p multibandes. Outre l’introduction des états ‘fantômes’ ne déformant ni la structure électronique, ni le transport polarisé, notre approche utilise la continuité des composantes des fonctions d’onde à chaque interface ainsi que le raccordement des composantes du courant d’onde selon la symétrie des interfaces soit par 1) la continuité des composantes du courant d’onde (extension de la théorie Ben Daniel Duke), 2) les conditions de raccordement obéissant à une symétrie C2v par mélange cd trous lourds/légers dans la bande de valence (conditions d’Ivchenko) ou 3) discontinuité des bandes p ‘hautes’. Nous démontrons, en outre, l’équivalence des conditions de continuité pour le cas de puits quantiques III-V de type AlAs/GaAs/AlAs ce qui représente ainsi une généralisation de résultats précédents développés en 14 bandes.L’ensemble de ce travail de thèse analytique et numérique, comportent plusieurs démonstrations importantes. Nous montrons que notre théorie permet de décrire le transport de spin d’états couplés spin-orbite dans les hétérostructures semiconductrices d’axe de croissance (100) ou (110). Ces résultats sont notamment matérialisés par les calculs les trois composantes du courant de spin dans les barrières III-V (GaAs, AlAs) jouant le rôle de déphaseur de spin. Les calculs que nous développons montrent en effet, comme le prévoit la théorie analytique, une rotation vectorielle de la matrice densité de spin dans l’épaisseur de la barrière et comme prévue par l’application d’un champ e spin-orbite effectif de Dresselhaus parallèle au plan de la barrière.Notre théorie est également comparée avec succès aux calculs de perturbation multibandes utilisant les fonctions de Green pour le transport pour traiter les mécanismes de l’effet tunnel Hall anormal dans la bande conduction et dans la bande de valence. Les résultats sont remarquables de fidélité ce qui montre la puissance de la technique utilisée. Nous calculons également les propriétés de courant de spin dans les jonctions tunnel ferromagnétiques à base de GaMnAs pour en déduire le couple de transfert de spin responsable de la commutation de l’élément ferromagnétique fin. Nous montrons par exemple, comment les composantes de spin transverses du courant sont pertinents pour commuter une aimantation. Enfin, nous avons adapté notre théorie de transport aux structures III-V pour calculer les états confinés de puits quantiques dans la bande de conduction et bande de valence. Nous comparons avec succès, nos résultats multibandes à l’état de l’art 6 bandes et 14 bandes, sur l’anisotropie optique de l’absorption entre les directions (110 et (1-10) du champ électrique lorsque la symétrie de l’hétérostructure est réduite à une symétrie C2v
This thesis work is essentially devoted to the development of the tunneling theory k.p 14, 30 and 40 bands for a spinorbitronic application with semiconductor. Spinorbitronic combines the effects of spin and orbit, which via spin-orbit coupling, introduces new transport properties such as spin Hall and anomalous Hall effects. The latter is characterized by a deflection of the trajectory of polarized carriers in the transverse direction of their flow. Other characteristic effects concern i) the spin transfer mechanisms for switching angular momentum transfer magnetization, thus generalizing spin transfer as well as ii) spin-charge conversion mediated by the terms Rashba or Dresselhaus. In this context, our tunnel transport theory is adaptable to semiconductor heterostructures, magnetic or not, dealing with a simple interface or tunnel junctions. It allows to take into account in a fine way the spin-orbit interactions of heart and interface. It generally uses the introduction of additional high bands, called ghosts, to deal with the spurious states inherent in the multiband k.p theory. Apart from the introduction of the "spurious" states neither deforming the electronic structure nor the polarized transport, our approach uses the continuity of the components of the wave functions at each interface and the connection of the components of wave current according to symmetry interfaces either by 1) the continuity of the components of wave current (extension of Ben Daniel Duke theory), 2) the connection conditions obeying a C2v symmetry by mixing heavy holes cd / light in the valence band (conditions from Ivchenko) or 3) discontinuity of the 'high' bands. We also demonstrate the equivalence of the continuity conditions for the case of AlAs / GaAs / AlAs III-V quantum wells, which represents a generalization of previous results developed in 14 bands.The whole of this work of analytical and numerical thesis, include several important demonstrations. We show that our theory can be used to describe the spin transport of spin-orbit coupled states in growth axis (100) or (110) semiconductor heterostructures. These results are notably materialized by the calculations of the three components of the spin current in the III-V barriers (GaAs, AlAs) acting as spin phase-shifters. Calculations show that we develop in effect, as provided by the analytic theory, a vector rotation of the spin density matrix in the thickness of the barrier and as provided by the application of an effective spin-orbit field Dresselhaus parallel to the plane of the barrier.Our theory is also successfully compared to the multiband perturbation calculations using Green's transport functions to address the mechanisms of abnormal Hall tunnel effect in the conduction band and the valence band. The results are remarkable of fidelity which shows the power of the technique used. We also calculate spin current properties in GaMnAs-based ferromagnetic tunnel junctions to derive the spin transfer torque responsible for switching the fine ferromagnetic element. We show, for example, how the transverse spin components of the current are relevant to switch a magnetization. Finally, we adapted our transport theory to III-V structures to compute confined quantum well states in the conduction band and valence band. We successfully compare our state-of-the-art 6-band and 14-band multiband results on the optical anisotropy of absorption between the directions (110 and (1-10) of the electric field when the symmetry of the heterostructure is reduced to C2v symmetry

Au cours des dernières décennies les besoins en capacité de stockage ont explosé avec l’avènement de l’ordinateur. La crise énergétique que nous traversons au 21eme siècle nécessite le développement de nouveaux matériaux pour le stockage de l’information. C’est dans ce but que les physiciens ont développé de nouvelles façons de stocker l’information de façon à réduire la taille, la consommation énergétique et le coût de fabrication des mémoires tout en augmentant leurs capacités et la vitesse de traitement de l’information. Les recherches réalisées au cours de cette thèse visent à améliorer le stockage de l’information à l'aide des deux champs de recherches suivants :- Le premier se base sur l’utilisation de matériaux émergents dans le domaine de la recherche scientifique : les isolants topologiques. Ces matériaux possèdent des textures de spin particulières susceptibles de générer une conversion très élevée entre courant de spin et courant de charge. Cet état de la matière (non trivial topologiquement) peut s’avérer complexe à stabiliser et à imager. C’est l’objectif de la première partie de cette thèse où des isolants topologiques provenant de la famille des demi-Heusler sont fabriqués par épitaxie par jets moléculaires. La caractérisation structurale par diffraction des rayons X et électronique ainsi que par microscopie à effet tunnel et microscopie électronique à transmission confirme la croissance épitaxiale dans la structure désirée prédite comme ayant une topologie non triviale. La spectroscopie photoélectrique résolue en angle révèle la présence d'états linéaires autour du point Γ de la zone de Brillouin. Néanmoins, les surfaces de Fermi obtenues sont complexes et ne permettent pas de tirer des conclusions claires sur la nature non triviale des composés. Des mesures de transport ont été effectuées pour tester l'efficacité potentielle d'interconversion de nos composés et les expériences de spin Seebeck révèlent une conversion spin/charge deux à trois fois plus élevée dans nos isolants toplogiques comparés à un échantillon témoin de Pt.- La seconde étude réalisée afin d'améliorer les mémoires magnétiques conventionnelles porte sur l’anisotropie magnétique. Ici encore les alliages d’Heusler offrent une grande variété de composés permettant de répondre à ce but. La famille de composés Mn3Z (Z = Ge, Ga) a beaucoup attiré l’attention du fait de sa maille élémentaire tetragonalisée permettant de stabiliser une aimantation perpendiculaire et cela même dans une géométrie de film mince. Dans cette thèse, nous étudions les alliages Mn(100-x)Ga(x) et Mn(100-x)Ge(x) et parvenons à les stabiliser dans leur structure D0(22) offrant une aimantation perpendiculaire. Un zoom est ensuite porté sur des empilements (bicouches et super-réseaux) à base de Mn3Ge et composés d'un second alliage d'Heusler aux propriétés remarquables, la famille Co2MnZ' (Z' = Si, Ge). Les composés Co2MnZ' ont un comportement semi-métallique leur conférant un faible amortissement magnétique et une polarisation en spin de 100% au niveau de Fermi, deux propriétés très souhaitées pour des applications basées sur le couple transfert de spin. Nous développons donc ici des hétérostructures Mn3Ge/Co2MnZ' (bicouches et super-réseaux) et parvenons à faire croître les deux composés dans les structures souhaitées. Le système global possède une aimantation perpendiculaire (amenée par Mn3Ge), la dernière couche de l'empilement est un demi-métal magnétique (amené par Co2MnZ') et les épaisseurs utilisées pour les deux couches permet d'accorder les propriétés magnétiques et d'obtenir 100% de rémanence
Over the last decades, the needs in storage capacity as shot up with computing development. The energy crisis that we are going through in the 21th century requires to develop new fundamental materials for data storage. It was with this purpose that physicist develop new ways to store information in order to reduce device’s scale, energy consumption and manufacturing cost while memories’ size and information’s speed has shot up. The research conducted in this thesis make use of two different ways to improve data storage:- The first one is by using emerging materials in science, called topological insulator, that host peculiar spin texture predicted to generate very high spin-to-charge interconversion. This non-trivial state of matter can be complex to stabilize and image. This is the goal of the first part of this thesis where topological insulators coming from the half-Heusler family are engineered by molecular beam epitaxy. Structural characterization are carried out by X-ray and electronic diffraction along with scanning tunneling microscopy and transmission electron microscopy that confirm an epitaxial growth in the desired structure predicted to host a non-trivial topology. Angle resolved photoemission spectroscopy is performed and reveals the presence of linear states around the Γ point of the Brillouin zone. Nonetheless, the complex Fermi surfaces imaged do not allow to draw clear conclusions on the non-trivial nature of both alloys. Transport measurements were performed to test the potential interconversion efficiency of our compounds and spin Seebeck experiments revealed a spin-to-charge conversion two to three times higher in our TIs compared to a Pt control sample.- The second way chosen to improve conventional magnetic memories is by playing with magnetic anisotropy. Here again, Heusler family offers a vast variety of compounds allowing to fulfill this goal. The Mn3Z family compounds has attracted a lot of attention owing to their tetragonalized unit cell that allows to stabilize perpendicular magnetic anisotropy (PMA) even in a thin film geometry. In this thesis, we investigate Mn(100-x)Ga(x) and Mn(100-x)Ge(x) alloys and manage to stabilize them in their D0(22) structure that offers PMA. A peculiar zoom is then done on Mn3Ge-based stacks composed of a second Heusler alloy with remarkable properties, the Co2MnZ’ family (Z' = Si, Ge). Co2MnZ’ compounds have a half-metallic behavior making them very suitable for spin transfer torque related applications due to their low magnetic damping and full spin polarization at the Fermi level. Here we develop Mn3Ge/Co2MnZ' heterostructures (bilayers and superlattices) and manage to grow both compounds in the desired structures. The overall system is perpendicularly magnetized (thanks to Mn3Ge), terminated with a half-metal magnet (thanks to Co2MnZ') and the thicknesses used for both layers allow to tune the magnetic properties and obtained 100% of remanence

L'utilisation de matériaux ferromagnétiques a longtemps été l'unique méthode pour détecter et produire des courants de spin. Cependant, depuis le milieu des années 2000 des méthodes alternatives ont été proposées. Un champ émergent de la spintronique, appelé spin-orbitronique, s'attelle à l'utilisation du couplage spin orbite pour détecter et produire des courants de spin en l'absence de matériaux ferromagnétiques. Une interconversion efficace entre courant de spin et courant de charge a pu être obtenues à l'aide de l'effet Hall de spin dans les métaux lourds tels que le Platine ou le Tantale. Une telle conversion peut aussi être obtenue en utilisant l'effet Edelstein dans les interfaces Rashba et les isolants topologiques.La conversion de courant de spin à courant de charge par effet Hall de spin et effet Edelstein inverse peut être étudiée par la méthode dite du pompage de spin par résonance ferromagnétique. Ce manuscrit présente ces différents effets de conversion ainsi que la technique utilisée basée sur une mesure électrique effectuée à la résonance ferromagnétique. Y sont présentés des résultats de conversion spin charge dans les métaux, les interfaces Rashba à base d'oxydes ainsi que dans les isolants topologiques. Parmi ces systèmes nous avons montré la possibilité de moduler à l'aide d'une grille électrostatique la conversion spin charge dans un gaz d'électron bidimensionel obtenu à la surface de l'oxyde SrTiO3. De plus il est possible de moduler, de façon rémanente, la conversion dans SrTiO3 grâce à la ferroélectricité obtenue à des températures cryogéniques.Parmi les autres systèmes étudiés les isolants topologiques HgTe et Sb2Te3 présentent des propriétés de conversion spin vers charge prometteuses à température ambiante. En particulier dans le cas de HgTe, en utilisant une couche de protection de HgCdTe nous avons pu obtenir des niveaux de conversion un ordre de grandeur plus élevé que dans le Platine.Ces résultats suggèrent que les gaz d'électrons bidimensionnels aux interfaces d'oxydes ainsi que les isolants topologiques sont des systèmes prometteurs pour la détections de courants de spin pour des applications au delà de la logique CMOS
Using a ferromagnetic layer has been the first method to obtain and detect spin currents, allowing to modify the magnetization state of an adjacent layer using spin transfer torque. However, in recent years, an alternative way to manipulate spin currents has been proposed. An emerging field of spintronics, called spin-orbitronics, exploits the interplay between charge and spin currents enabled by the spin-orbit coupling (SOC) in non-magnetic systems. An efficient current conversion can be obtained through the Spin Hall Effect in heavy metals such as Platinum or Tantalum. The conversion can also be obtained by exploiting the Edelstein Effect in Rashba interfaces and topological insulators.The spin to charge conversion by means of Inverse Edelstein Effect and inverse Spin Hall Effect can be studied by the spin pumping by ferromagnetic resonance technique. This manuscript present these two conversion mechanisms as well as the technique that was used to measure them, which is based on an electrical detection of the ferromagnetic resonance. Results on the spin to charge current conversion obtained in metals, oxide-based Rashba interfaces and topological insulators will be presented. Among these systems we have demonstrated the possibility to tune the conversion efficiency by using a gate voltage in a two-dimensional electron gas at the surface of an oxide SrTiO3. Moreover it is possible to tune this effect, a remanent way, thanks to the ferroelectricity obtained in SrTiO3 at cryogenic temperatures.Other studied systems such as topological insulators HgTe and Sb2Te3 also have promising properties for an efficient spin to charge current conversion at room temperature. In particular we showed than in HgTe by using a thin HgCdTe protective layer, it is possible to obtain a spin to charge current conversion efficiency one order of magnitude larger than in Pt.These results suggest that stwo dimensional electron gases at oxide interfaces and topological insulators have a strong potential for the efficient detection of spin currents for possible beyond CMOS applications