Feb 23, 2024
Effets orbitalaires dans les gaz bidimensionnels à effet Rashba

La spintronique est une discipline qui vise à remplacer la charge par le spin des électrons dans des dispositifs de l’électronique et des technologies de l’information. Son principe repose sur la manipulation de courants d’aimantation (de spin) qui peuvent remplacer avantageusement les courants de charges électriques trop consommateurs d’énergie. La stratégie ici est donc de transformer la puissance électrique en courants aimantés, puis de reconvertir en charge l’information contenue dans le magnétisme après son processing par des portes logiques. Par conséquent, l’inter-conversion spin/charge constitue une brique essentielle de ces technologies. Pour ce faire, les mécanismes connus reposent sur le couplage entre les spins et les charges en mouvement, appelé interaction spin-orbite. Jusqu'à présent, le mécanisme le plus fiable est l'effet Hall de spin, observé principalement dans les éléments métalliques lourds comme le Pt ou le W. Un autre type d’interaction couplant spin et orbite, appelé spin galvanique ou effet Edelstein, est basé sur l’effet Rashba dans des gaz bidimensionnels d’électrons. Elle résulte de l’action sur les électrons, d’un champ électrique intrinsèque aux interfaces entre deux matériaux. Le meilleur système à ce jour s'avère être le liquide électronique 2D créé par la discontinuité polaire à l’interface de deux isolants LaAlO3 et SrTiO3.

 

 
Figure 1: Structure des bandes électroniques 'Rashba' montrant  les textures de spin chirales (flèches bleues et rouges).
 

L'explication globalement acceptée de l’effet Edelstein repose sur l’existence d’un champ magnétique effectif perpendiculaire à la trajectoire des électrons, qui fixe la position de leur spin. On observe alors une texture chirale en spin dans la structure en bandes électroniques des interfaces (Fig. 1). Toutefois, la faiblesse du couplage spin-orbite dans ces matériaux est incompatible avec l’amplitude des variations résistives sous champ magnétique mesurées dans des échantillons de type LaAlO3/SrTiO3. En fait, des prédictions théoriques récentes émettent l’hypothèse que les effets liés au spin pourraient être les conséquences indirectes d’un effet dominant d’origine orbitalaire, c’est-à-dire directement dans la chiralité des trajectoires électroniques. Par conséquent, afin de mettre en évidence l’importance de ces effets orbitalaires, il est nécessaire de trouver comment discriminer les textures d’orbitales et de spins des bandes électroniques de ces états d’interface.

Nos prédictions théoriques montrent que l’interface LaAlO3/SrTiO3 présente des structures de bandes dont les textures de spin et orbitalaires (figure 2a) sont fondamentalement différentes, la première montrant une forte symétrie d’ordre quatre dans le plan du gaz d’électrons alors que la seconde reste presque isotrope. Expérimentalement, nous avons choisi de mesurer la conversion en charge d’un moment angulaire injecté dans l'interface, appelé effet Edelstein inverse (figure 2b). Son principe repose sur la mesure de la tension électrique générée par une population hors équilibre de moment angulaire des électrons de l’interface Rashba, une propriété intimement liée à la nature des textures des bandes électroniques. L’injection est réalisée par l’extraction d’un moment angulaire net d’une couche ferromagnétique adjacente via une technique appelée ‘effet Seebeck de spin’. Un champ magnétique permet alors de faire tourner dans le plan de l’échantillon la direction du moment angulaire tout en mesurant la dépendance de la tension résultante. Les résultats mettent en évidence que deux contributions participent de manière presque égale (et opposée) : celles liées au spin et à l’orbitale. Lorsqu’on prend en compte les conditions de l’injection en considérant l’inefficacité (liée au matériau magnétique) de la production d’un moment angulaire qui soit principalement orbitalaire, ces mesures montrent que la texture orbitalaire est environ 10 fois plus efficace que celle du spin dans les phénomènes de conversion en charge. Nous mettons donc le doigt ici sur l’importance des effets orbitalaires dans le couplage Rashba de cette interface. Ces résultats ouvrent la porte à une utilisation plus large des effets purs du moment angulaire orbital et confirment le potentiel du degré de liberté orbitalaire pour le stockage et le traitement de l’information.

 
Figure 2 : a) Prédictions théoriques de l’anisotropie de la conversion en charge dans le plan du gaz 2D. b) Mesures expérimentales et c) somme (différence) des deux contributions théoriques, en tenant compte de l’inefficacité de l’injection, reproduisant bien la symétrie observée dans l’expérience.
 

Contacts CEA : Jean-Yves Chauleau et Michel Viret (SPEC/LNO)

Référence :

Observation of the inverse Orbital Rashba-Edelstein effect,
Anas El Hamdi, Jean-Yves Chauleau, Margherita Boselli, Clémentine Thibault, Cosimo Gorini, Alexander Smogunov, Cyrille Barreteau, Stefano Gariglio, Jean Marc Triscone and Michel Viret, Nature Physics 19(12) (2023) 1855.

 
#3633 - Last update : 02/28 2024


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