Service de Physique de l'Etat Condensé

L’effet Rashba est bien connu dans la communauté des gaz bidimensionnels d'électrons, et surtout en spintronique où le couplage chiral en spin de la structure de bandes est utilisé pour inter-convertir spin et charge. Dans certains matériaux, il apparait que les effets orbitaux sont largement plus grands que ceux dus aux spins. Nous venons de démontrer que c’est effectivement le cas dans le système LaAlO3/SrTiO3. Il faut maintenant étudier l’effet de l’épaisseur de la barrière de LaAlO3 et des dépendances angulaires. Il est important aussi d'étudier ces phénomènes à l'échelle de la picoseconde ce qui est possible dans notre laboratoire en utilisant des lasers ultra-rapides pour produire des impulsions très courtes de spins purs. Pendant sa thèse, l'étudiant sélectionné réalisera des mesures à froid aux échelles de temps variant du DC (spin Seebeck) à la picoseconde (désaimantation ultra-rapide) sur des échantillons à l’état de l’art venant de l’université de Genève. D'autres échantillons pertinents pour la conversion orbital/charge seront étudiés comme le système Cu/CuO fait au laboratoire.

L'électronique de spin est une physique puissante basée non seulement sur la charge mais aussi sur le spin des électrons. Déjà largement utilisée pour les têtes de lecture des disques durs, elle a connu une mise en œuvre croissante pour la détection des champs magnétiques, en raison de sa sensibilité, de sa miniaturisation et de sa facilité d'intégration au CMOS. Néanmoins, les propriétés de ces capteurs sont jusqu’à présent fixées lors de la fabrication et ne peuvent être modifiées au cours de leur durée de vie. Cette thèse vise à étudier de nouveaux concepts de capteurs magnétiques, intégrant la spinorbitronique (exploitant le spin orbit torque) comme un degré de liberté supplémentaire pour la conception du capteur, permettant de changer ses caractéristiques telles que la direction ou la gamme de sensibilité, ou encore de réduire dynamiquement le bruit, en cours de vie du capteur, le rendant ainsi reconfigurable. Ce concept apportera une nouvelle génération de capteurs intelligents, capables d'être reconfigurés électriquement pendant leur durée de vie.



Sujet détaillé :

L'objectif de cette thèse est de développer des structures de magnétorésistance à effet tunnel (TMR) utilisant le spin orbit torque pour manipuler électriquement l’aimantation et ouvrir la voie à des capteurs magnétiques reconfigurables.

Les capteurs magnétiques permettent de mesurer à la fois le champ magnétique mais aussi des quantités associées, comme le courant ou encore la position d'un objet. Ils sont de plus en plus présents dans les objets technologiques, ainsi que dans les domaines automobile et médical.

L'électronique de spin, dont la démonstration expérimentale a été couronnée par le prix Nobel de physique en 2007 (A. Fert et P. Grünberg), a ouvert des voies d'amélioration importantes pour les capteurs magnétiques grâce à la sensibilité et à la miniaturisation des éléments de base.



Cependant, une limite actuelle vient du fait que le capteur est défini au moment de sa fabrication et que ses caractéristiques (telles que la gamme ou la direction de sensibilité...) sont fixées au départ pendant la fabrication. Grâce au phénomène de spin orbit torque (SOT), qui consiste à appliquer une force magnétique à travers un flux d'électrons polarisés en spin, il est possible d'implémenter dans un élément spintronique une fonction de manipulation de certaines des couches magnétiques, et ainsi d'imaginer un capteur qui puisse s'adapter au cours de son utilisation grâce à la reconfiguration de ses références.



Le projet de thèse consistera à développer des systèmes de magnéto-résistance tunnel (TMR) intégrant un niveau de SOT pour piloter la réponse du capteur, à fabriquer les dispositifs, à tester leurs performances et à les appliquer dans un environnement réaliste pour la détection de courant et pour de la magnétométrie. Cette thèse s'inscrira dans le cadre du projet STORM financé par l'ANR (démarré en décembre 2022), en collaboration avec UMPhy Thales et Crivasense Technologies. Elle comprendra le dépôt de matériaux, leur caractérisation en termes de performances SOT, puis la réalisation de dispositifs par des techniques de microfabrication, et des mesures de magnéto-transport pour évaluer la réponse des capteurs.

Un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif a été développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes en combinant un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique magnétorésistif (MR) intégré dans un bras de levier AFM. Durant cette thèse, le but est d’investiguer des applications innovantes de ce microscope en utilisant notamment une propriété spécifique des capteurs MR : leur large gamme de fréquence en détection allant du DC à plusieurs centaines de MHz voire le GHz. Ainsi les propriétés de susceptibilité magnétique de particules/matériaux magnétiques pourront être étudiées, notamment dans le cadre de l’utilisation des pétales magnétiques pour des applications de furtivité /absorption RF ou des rubans de nanocristallins pour des applications de conversion électriques. Une deuxième application visée est la magnonique ou l’utilisation des ondes de spin (plutôt que des charges) afin de transporter et traiter l’information avec un minimum de pertes d’énergie. Durant la thèse, les capteurs intégrés seront développés et caractérisés, le microscope et l’électronique de détection du capteur devront être adaptés aux mesures à haute fréquence. Un autre aspect de cette thèse sera à partir des cartographies de champs mesurés de pouvoir remonter aux propriétés magnétiques des matériaux étudiés.

L'objectif de cette thèse est de comprendre et de décrire les mécanismes sous-jacents à l'OER lors de la réaction de photoelectrolyse en réalisant une étude comparative des photoanodes a-Fe2O3 et BiVO4 modifiées par un co-catalyseur. Ce travail de thèse s'articulera autour de plusieurs axes : i) synthèse de photoanodes par des méthodes chimiques sur deux types de substrats (FTO et carbone vitreux) ; ii) caractérisation photoélectrochimique macroscopique : quantification du photocourant, mesure directe de l'hydrogène produit, spectroscopie de l’impédance photoélectrochimique ; iii) caractérisation par spectromicroscopies ex situ de rayons X (STXM et XPEEM utilisant le contraste NEXAFS) au synchrotron SOLEIL (ligne de lumière HERMES). Cette analyse fournira des informations directes sur la composition chimique et l'homogénéité, la morphologie et la structure électronique des photoanodes ; iv) calculs DFT utilisant des codes existants qui permettront de reproduire les caractéristiques NEXAFS à partir des données STXM et XPEEM. En outre, les calculs DFT vont aider à la prédiction de structures électroniques de matériaux d’intérêt par l’optimisation de structures atomiques et à la détermination de réactivité potentielle reliée à l’alignement des niveaux électroniques. L'étudiant sera accueilli au sein du laboratoire SPEC du CEA-Saclay pendant toute la durée de la thèse.

BiFeO3 est un matériau particulier car il comporte deux ordres couplés : une polarisation électrique et un ordre antiferromagnétique. Le couplage magnéto-électrique lui confère une configuration magnétique complexe, chirale, qu’il est possible de voir au synchrotron ou avec une sonde locale adaptée comme l’imagerie utilisant le centre NV du diamant. Au CEA, nous avons aussi développé un code de simulation d’une grande souplesse qui nous permet de prédire les propriétés magnétiques de structures de BiFeO3 contraintes, et même lithographiées et polarisées électriquement dans le but de réaliser des ‘skyrmions’ antiferromagnétiques. Le but de la thèse sera de simuler certaines structures déjà réalisées et d’en imaginer d’autres. Aussi, l'étudiant(e) utilisera un microscope à champ proche en cours de développement au laboratoire pour tenter de mesurer les configuration prédites dans des échantillons de BiFeO3 synthétisés à l'UMR CNRS/Thales.