Gaz d’électrons bi-dimensionnel en oxyde quantique avec ajout de ferromagnétisme

Les oxydes quantiques présentent une grande diversité de propriétés, telles que le ferromagnétisme, la supraconductivité et la ferroélectricité, qui sont très sensibles à des stimuli externes comme les champs électriques ou les impulsions lumineuses. À leurs interfaces, des phénomènes encore plus exotiques peuvent apparaître, comme le gaz d'électrons bidimensionnel qui se forme sur SrTiO3 (STO) soit par croissance épitaxiale de LaAlO3, soit par dépôt de métaux réducteurs d'oxygène. Une caractéristique essentielle des gaz de STO est le couplage spin-orbite de Rashba, qui lie le spin des électrons itinérants à leur moment et engendre des textures de spin complexes dans les bandes électroniques. Cette interaction permet l'interconversion spin-charge via l'effet Edelstein, offrant une voie directe pour détecter électriquement une information magnétique ou manipuler des éléments magnétiques par couples de spin-orbite.Dans un contexte de demande croissante en technologies de l'information à faible consommation énergétique, les hétérostructures d'oxydes apparaissent comme des candidates particulièrement attractives pour la spin-orbitronique, puisqu'elles exploitent les degrés de liberté de spin et d'orbite en plus de la charge électronique. La possibilité de mobiliser des courants de spin et d'orbite sans dissipation ouvre une voie vers un stockage, un traitement et un transport de l'information plus efficaces. Parmi ces systèmes, les interfaces à couplage Rashba se distinguent par leur possible contrôle électrique, mais une limite majeure subsiste : les gaz de STO à l'état pur n'atteignent pas une conversion spin-charge assez élevée à température ambiante.Cette thèse aborde ce défi en introduisant le ferromagnétisme comme degré de liberté supplémentaire dans les gaz d'oxydes. Le ferromagnétisme est incorporé par dépôt d'europium à température ambiante sur des monocristaux de STO par pulvérisation cathodique. Une réaction rédox conduit à la formation contrôlée de l'isolant ferromagnétique EuO, dopant simultanément le STO pour générer un gaz et imprimant un ordre magnétique dans le système électronique interfacial par effet de proximité.Les hétérostructures obtenues sont caractérisées par spectroscopie de photoélectrons X, magnétométrie SQUID et dichroïsme circulaire magnétique des rayons X, confirmant la formation d'EuO et le ferromagnétisme interfacial. Des dispositifs microscopiques sont ensuite réalisés pour sonder le transport électronique. Des mesures de magnétotransport, incluant effet Hall et détection harmonique, sont utilisées pour déterminer la densité de porteurs, la température de Curie et l'interaction entre couplage Rashba et magnétisme. Des expériences sous tension de grille démontrent en outre un fort couplage entre remplissage électronique, intensité du couplage Rashba et ordre magnétique. De manière remarquable, elles révèlent la présence d'une courbure de Berry topologique, signature du transport quantique rendue possible par la brisure de la symétrie par renversement temporel dans l'état ferromagnétique.En complément, des simulations théoriques sont menées à l'aide d'une description tight-binding du STO soumis à un champ d'échange de type Zeeman représentant l'effet de proximité ferromagnétique. Dans le cadre du formalisme semi-classique de Boltzmann, ces calculs prédisent que le ferromagnétisme peut améliorer l'efficacité de l'interconversion spin-charge d'un ordre de grandeur.Dans l'ensemble, ce travail établit EuO/STO comme une plateforme polyvalente où couplage Rashba et ferromagnétisme s'entrelacent, donnant naissance à de nouveaux phénomènes quantiques interfaciaux et ouvrant de nouvelles perspectives pour la conception de dispositifs spin-orbitroniques performants.