Isolant topologique et etats d'interfaces Rashba pour l'électronique de spin – TOP-RISE

La plupart des composants de l’électronique de spin actuels sont basés sur la manipulation de courants de spin qui, s'ils ne transportent pas de charges électriques, peuvent être décrits comme des courants d’électrons de même intensité, avec des spins opposés aux directions opposées. Les opérations élémentaires en spintronique comprennent, d’une part, la création de courants de spin à partir de courants de charge (courants électriques), et, d’autre part la détection de courants de spin via leur transformation en courants de charge, autrement dit des conversions entre courants de charge et de spin. Bien que la spintronique classique implique en général l'utilisation de matériaux magnétiques pour ces conversions, il apparaît aujourd'hui que ces conversions peuvent également être obtenues via l'exploitation du couplage spin-orbite (spin-orbit coupling ou SOC), la correction relativiste apportée à l’équation de la physique quantique, et qui peut être particulièrement forte dans les matériaux contenant des atomes lourds. Un exemple typique d’effet de SOC est l’effet Hall de spin (spin Hall effect ou SHE) dans des métaux lourds, et par lequel un courant de charge peut être converti en un courant de spin transverse. Aujourd’hui, il s’avère qu'une conversion plus efficace peut être obtenue par l'exploitation des propriétés d’un système bidimensionnel électronique induites par le SOC, et ceci au niveau de certaines surfaces et interfaces, à savoir les interfaces dites de Rashba et les surfaces ou interfaces de nouveaux matériaux baptisés isolants topologiques (topological insulators ou TIs).

Le but de ce projet est d’étudier ces mécanismes de conversion de spin en courant de charge et vice et versa à partir de telles surfaces. Pour cela nous nous appuierons sur des résultats préliminaires obtenues avec des interfaces Fe/Ge(111) qui impliquent des états de surface type Rashba et la surface de Alpha-Sn avec l’apparition d’états de surface de type isolant topologique. L’enjeu du projet est la maitrise de fabrication de ces matériaux, leur intégration dans des composants spintronique et la caractérisation des courants de spin et torques associés. Un développement théorique important viendra compléter les expériences. Le but final est le control de l’aimantation de matériaux ferromagnétiques en utilisant les courants de spin de surface et les torques associés dont l’efficacité est attendue supérieure aux matériaux existants. La capacité à piloter un bit magnétique avec un minimum d’énergie constitue enjeu majeur pour le stockage magnétique, les composants logiques reprogrammables basés sur le spin et les oscillateurs a transfert de spin.