Supraconductivité et couplage spin-orbite multibandes aux interfaces de KTaO₃

Les besoins croissants de performances de calcul toujours plus élevées et d'efficacité énergétique, couplée aux limites physiques fondamentales de la miniaturisation des semi-conducteurs, nécessite un changement de paradigme de traitement de l'information. Dans ce contexte, le domaine des technologies post-CMOS émerge comme le prochain horizon. La spintronique, s'appuyant le spin de l'électron plutôt que sa charge, offre une voie prometteuse pour intégrer les fonctions mémoire et logique, permettant une commutation collective d'état non volatile et réduisant l'empreinte énergétique des appareils électroniques, à condition qu'une interconversion spin-charge efficace puisse être réalisée. Les degrés de liberté de spin et orbitaux pourraient également être essentiels pour réaliser la supraconductivité topologique, qui échappe aux chercheurs et pourrait ouvrir une voie révolutionnaire pour l'informatique quantique en codant l'information dans des états non locaux et protégés topologiquement, tels que les modes zéro de Majorana. La concrétisation de tels systèmes dépend toutefois de la découverte de matériaux combinant supraconductivité et fort verrouillage spin-impulsion tels que des systèmes Rashba. Cette thèse étudie les propriétés électroniques d'une nouvelle plateforme matériau destinée à la fabrication de dispositifs spintroniques à énergétiquement sobres et à la supraconductivité topologique. Nous nous intéressons aux gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) à base de KTaO₃, qui présentent un couplage spin-orbite de Rashba et une supraconductivité exceptionnellement fort, pouvant être modulés dynamiquement par des champs électriques. Grâce à la spectroscopie de photoémission et d'absorption, au magnétotransport, la structure de bande anisotrope des 2DEG KTaO₃ orientés 111 et 110 est cartographiée, révélant des propriétés électroniques dépendantes de l'orientation. Les mesures de transport non réciproques de la magnétorésistance anisotrope mettent en évidence leur influence, avec des composantes harmoniques attribuées à la diffusion multibande et à la conversion charge-spin via l'effet Edelstein. Les coefficients de Rashba estimés présentent une dépendance directionnelle directement liée aux textures de spin et orbitales du système. En régime supraconducteur, des mesures de transport en courant continu démontrent la nature bidimensionnelle de la supraconductivité aux interfaces de KTaO₃, avec des températures critiques allant jusqu'à 2,5 K et une sensibilité marquée à l'orientation cristallographique et au désordre. Nous fabriquons des dispositifs mésoscopiques à effet de champ et rapportons le contrôle de la supraconductivité par des grilles arrière et supérieure, conduisant à la construction de diagrammes de phase en forme de dôme qui révèlent des influences distinctes de la configuration de grille sur les états normaux et supraconducteurs. Dans une autre expérience, la spectroscopie par effet tunnel de jonctions AlOₓ/KTaO₃ identifie deux gaps supraconducteurs, compatibles avec la structure électronique multibande observée expérimentalement. Nous étudions la symétrie du gap et montrons qu'elle est compatible avec des mécanismes d'appariement non conventionnels, rendus possibles par les interactions à l'œuvre à cette interface. Ces résultats établissent collectivement les interfaces à base de KTaO₃ comme une plateforme polyvalente et modulable pour les dispositifs spintroniques et quantiques de nouvelle génération. La capacité à contrôler électriquement à la fois le couplage spin-orbite et la supraconductivité, combinée à la compatibilité de ces systèmes avec les procédés semi-conducteurs établis, place l'électronique à base d'oxydes à l'avant-garde du paradigme post-CMOS. L'intégration de ces matériaux dans des dispositifs fonctionnels pourrait permettre un calcul économe en énergie et un traitement de l'information quantique robuste aux erreurs, répondant ainsi aux défis pressants de l'électronique moderne.