Thèse Orbitronique Temps Caractéristiques de la Conversion du Moment Angulaire en Charge H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/SPEC - Service de Physique de l'Etat Condensé Direction de la thèse : Michel VIRET ORCID 0000000163206100 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59 L'orbitronique est un domaine de recherche émergent, à la croisée de la physique de la matière condensée, de la science des matériaux et du génie électrique, qui se concentre sur l'étude et la manipulation du moment angulaire orbital (MAO) de l'électron. L'idée principale est d'utiliser le MAO des électrons pour stocker, transférer et traiter l'information, à l'instar de la spintronique qui exploite le spin de l'électron. Le MAO peut être généré par une large gamme de matériaux, avec une efficacité théoriquement bien supérieure à celle du spin, grâce à des éléments légers, abondants, peu coûteux et respectueux de l'environnement. L'orbitronique présente ainsi un intérêt fondamental et des perspectives technologiques prometteuses, offrant un cadre innovant et multidisciplinaire.

Dans cette étude, nous nous intéressons aux interfaces d'oxydes, un terrain d'expérimentation privilégié pour explorer la physique de Rashba dans les gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG), et en particulier sa capacité à convertir une accumulation de spin ou orbite à une charge via l'effet Edelstein inverse. L'interface LaAlO/SrTiO constitue un terrain d'expérimentation idéal pour explorer cette physique, notamment des paramètres tels que l'orientation cristalline et la barrière tunnel (LaAlO). Ces propriétés seront étudiées à basse température, le moment angulaire étant injecté en régime continu par l'effet Seebeck de spin. L'étude sera étendue au régime ultrarapide de la conversion orbitale-charge grâce à la désaimantation ultrarapide induite par laser d'une couche magnétique déposée et à la mesure de l'émission THz résultante. Nous souhaitons identifier les paramètres responsables de la diminution d'efficacité à l'échelle de la picoseconde observée lors des premières mesures d'émission THz. Notre objectif final est de mesurer les échelles de temps associées aux électrons chauds et à la diffusion spin-orbite dans ce système, ce qui constituera l'activité principale du doctorant. Orbitronics is an emerging research field spanning condensed matter physics and materials science to electrical engineering that focuses on the study and manipulation of the electron's orbital angular momentum (OAM). The key idea is to use the OAM of electrons as a means to store, transfer, and process information, similar to how spintronics leverages the electron's spin. Importantly, OAM can be generated by a wide range of material systems and with theoretically much higher efficiency than its spin counterpart, using cheap, environmentally friendly and abundant lightweight elements. Orbitronics thus has both a fundamental interest and technological perspectives that provide an innovative and multidisciplinary framework. Our aim is to measure the timescales associated to hot electrons and spin/orbital diffusion in Rashba-split 2D electron gazes during the spin(orbital) to charge conversion. Conversion signals will be measured from DC to THz, and at low temperatures. The range from DC to GHz will be measured in our laboratory of CEA Saclay along with (ultra-fast) magneto-optical Kerr effect (MOKE), allowing to access the lifetime of spin carriers in the 2D gas. The THz emission will be carried out in THALES laboratory (our partner in the network). Several systems will be studied in the course of the PhD starting with the STO interface (LAO/STO, STO/Ta) but also including other interfaces like Cu/CuOx and Ti/MgO with different injectors (to vary the yield of spin/orbital injection). Moreover, a top gate will be developed in order to vary the Fermi level of the 2DEG relative to the injector's.