Spin to charge current interconversion in Rasha interfaces and topological insulators
Conversion entre courant de spin et courant de charge dans des interfaces Rashba et des isolants topologiques
Résumé
Spin-to-charge current interconversion in non-magnetic systems is based on the spin-orbit coupling. During the past ten years, spintronics has been deeply transformed by the use of this effect. While the spin-to-charge interconversion in conventional spintronics relies on the exchange interaction, this can also be achieved using the strong spin-orbit coupling present in some ferromagnetic materials. The effect of the interplay between the exchange interaction and spin-orbit coupling on the spin transport and interconversion is however not well understood, which for now limits the use of the new functionalities offered by these materials. In addition to the study of the spin-to-charge interconversion in metals, other type of materials such as topological insulators, Rashba interfaces and ferroelectric semi-conductors are being investigated. These systems are appealing for novel spin-logic concepts due to their large spin-orbit-driven spin-to-charge interconversion and multifunctional properties. This thesis focuses on the exploration of spin-to-charge interconversion effects in these materials using various techniques and devices. The first chapter presents the concepts used and developed throughout this thesis, which are the spin transport in metals with the magnetization collinear and transverse to the spin polarization, as well as the conversion of a spin current into a charge current into metals, Rashba interfaces and topological insulators. In the second chapter, the collinear and transverse spin transport properties are measured using lateral spin valves, setting the groundwork for a quantitative characterization of the spin-to-charge interconversion effects in the aforementioned systems. In the third chapter, the effect of the competition between the exchange interaction and the spin-orbit coupling on the spin-to-charge interconversion is evaluated. This is done by measuring the inverse spin Hall effect in ferromagnetic materials across their transition temperature using a spin-pumping ferromagnetic resonance technique, and by rotating the ferromagnet ISHE-material magnetization with respect to the spin current polarization using a novel design of lateral spin valve. The fourth chapter studies the spin-to-charge interconversion in two-dimensional electron gas at interfaces between SrTiO3 and various metals, and in the newly discovered two-dimensional electron gas at the metal-KTaO3 interface using spin-pumping measurements. Finally, the fifth chapter discuss the local detection of the interconversion in the context of recently proposed spin-logic devices. In the first part of this last chapter, the optimization of the interconversion voltage output required for magnetoelectric spin-orbit devices is studied in platinum, through interface engineering and by performing local detection of the interconversion in the topological insulator Sb2Te3. In the second part, the patterning of such local interconversion devices using the ferroelectric Rashba semiconductor GeTe and the two-dimensional electron gas present at the metal-SrTiO3 interfaces is performed, with an opening toward their use for the recently proposed ferroelectric spin-orbit device.
L'interconversion entre courants de spin et de charge dans les systèmes non magnétiques est basée sur le couplage spin-orbite. Au cours des dix dernières années, la spintronique a été profondément transformée par l'utilisation de cet effet. Alors que l'interconversion spin-charge dans la spintronique conventionnelle repose sur l'interaction d'échange, elle peut également être réalisée en utilisant le fort couplage spin-orbite présent dans certains matériaux ferromagnétiques. L'effet conjoint de l'interaction d'échange et du couplage spin-orbite sur le transport et l'interconversion de spin-charge n'est cependant pas bien comprise, ce qui limite pour l'instant l'utilisation des nouvelles fonctionnalités offertes par ces matériaux. En plus de l'étude de l'interconversion spin-charge dans les métaux, d'autres types de matériaux tels que les isolants topologiques, les interfaces de Rashba et les semi-conducteurs ferroélectriques sont étudiés. Ces systèmes sont intéressants pour la réalisation de nouveaux concepts de logique de spin en raison de leur grande interconversion spin-charge et de leurs propriétés multifonctionnelles. Cette thèse se concentre sur l'exploration des effets d'interconversion spin-charge dans ces matériaux en utilisant diverses techniques et dispositifs. Le premier chapitre présente les concepts utilisés et développés tout au long de cette thèse, qui sont le transport de spin dans les métaux avec une aimantation colinéaire et transverse à la polarisation de spin, ainsi que la conversion d'un courant de spin en un courant de charge dans les métaux, les interfaces Rashba et les isolants topologiques. Dans le deuxième chapitre, les propriétés de transport de spin colinéaire et transverse sont mesurées à l'aide de valves de spin latérales, jetant les bases d'une caractérisation quantitative des effets d'interconversion spin/charge dans les systèmes mentionnés précédemment. Dans le troisième chapitre, l'effet de la compétition entre l'interaction d'échange et le couplage spin-orbite sur l'interconversion spin-charge est évalué. Pour ce faire, nous mesurons l'effet Hall de spin inverse dans les matériaux ferromagnétiques à travers leur température de transition en utilisant une technique de résonance ferromagnétique de pompage de spin, et en faisant tourner la magnétisation du matériau ISHE ferromagnétique par rapport à la polarisation du courant de spin en utilisant une nouvelle conception de vanne de spin latérale. Le quatrième chapitre étudie l'interconversion spin-charge dans le gaz d'électrons bidimensionnel aux interfaces entre SrTiO3 et divers métaux, et dans le gaz d'électrons bidimensionnel nouvellement découvert à l'interface métal-KTaO3 en utilisant des mesures de pompage de spin. Enfin, le cinquième chapitre traite de la détection locale de l'interconversion dans le contexte des dispositifs à logique de spin récemment proposés. Dans la première partie de ce dernier chapitre, l'optimisation de la tension d'interconversion requise pour les dispositifs spin-orbite magnétoélectriques est étudiée dans le platine, par l'ingénierie de l'interface et en effectuant une détection locale de l'interconversion dans l'isolant topologique Sb2Te3. Dans la deuxième partie, le modelage de tels dispositifs d'interconversion locale en utilisant le semi-conducteur ferroélectrique de Rashba GeTe et le gaz d'électrons bidimensionnel présent aux interfaces métal-SrTiO3 est réalisé, avec une ouverture vers leur utilisation pour le dispositif spin-orbite ferroélectrique récemment proposé.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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