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Tunable Spin Coherence at the LaAlO3/SrTiO3 Interface


Tunable Spin Coherence at the LaAlO3/SrTiO3 Interface

A.D. Caviglia, M. Gabay, N. Reyren, C. Cancellieri, S. Gariglio, J.-M. Triscone arXiv:0807.0585v1 (accepté, à paraitre dans Physical Review Letters, 2010)

 

La recherche de nouvelles fonctionnalités dans les composants électroniques est sans aucun doute l’un des défis technologiques majeurs de la physique de la matière condensée. Si l’objectif visé n’est pas nouveau en soi – il s’agit de contrôler le transport de courant électrique à très haute vitesse et sans dissipation – l’enjeu, lui, devient de plus en plus critique. Ainsi, pour les seuls USA, la demande électrique annuelle mise en jeu par les serveurs de données dédiés à Internet correspond-elle actuellement à la consommation de toute la Grande Bretagne pendant deux mois et demi.

 

Une piste, ouverte dans le domaine des matériaux semiconducteurs, consiste à créer un état de polarisation de spin des porteurs de charge qui reste bien défini et sur de grandes distances. On peut alors manipuler cet état pour moduler le courant. Pour réduire au mieux la dissipation et la dépolarisation, on confine le transport dans un canal bidimensionnel (film) ou unidimensionnel (fil).

 

Certains matériaux à base d’oxydes constituent, à cet égard, des candidats particulièrement prometteurs. Tel est le cas de l’hétérostructure LaAlO3/SrTiO3. Alors que les deux composés qui la constituent, pris séparément, sont de très bons isolants, l’interface du « sandwich », que l’on peut rendre lisse avec une précision quasi atomique, se révèle conducteur et même supraconducteur [1]. En appliquant une tension de grille à ce dispositif, on change spectaculairement ses propriétés de transport, et notamment la température de supraconductivité [2]. Nous avons analysé le magnétotransport de l’hétérostructure LaAlO3/SrTiO3 au moyen d’une forme fonctionnelle spécifique du cas d’un film, et pour des champs magnétiques appliqués parallèles ou perpendiculaires à l’interface. Celle-ci fait intervenir deux paramètres (dont le terme spin-orbite) pour une tension de grille donnée. Nous observons alors un accord remarquable entre la théorie et l’expérience sur une très large gamme de champs (comprise entre 0 et 8 Tesla).

 

Cette analyse révèle l’existence d’une contribution spin-orbite notable à l’interface. Sa force est contrôlée par la tension de grille (couplage Rashba), et est corrélée à la valeur de la température de supraconductivité.

 

Ce résultat est d’importance significative à plusieurs égards. En présence du terme spin-orbite, les états de l’interface possèdent une symétrie (dite de Kramers) qui les protège contre les processus de rétrodiffusion sur les impuretés. De ce fait, le désordre ne cause pas une dissipation problématique du transport de charge, comme c’est le cas, en général, dans des géométries de film ou de fil. Cette symétrie est aussi présente dans l’état supraconducteur qu’elle protège tout autant contre l’effet d’impuretés non magnétiques. De plus, elle donne à l’état de spin des paires de Cooper un caractère différent de celui que l’on trouve dans les cas usuels (qui est de type singulet). Ceci ouvre la voie à une possible manipulation du spin sans dissipation dans l’état supraconducteur.

 

Ce travail fait entrevoir deux perspectives ; sur le plan expérimental il s’agit d’obtenir des températures de supraconductivité notablement plus élevées que les 400mK actuels, modulables par le biais d’un couplage spin-orbite d’interface, si l’on a en vue des applications technologiques. Sur le plan théorique, il s’agit de comprendre à l’échelle microscopique le mécanisme qui lie l’interaction spin-orbite à la température critique de supraconductivité.

 

Magnétoconductance de l’hétérostructure LAO/STO pour un champ magnétique appliqué perpendiculairement à l’interface, lorsqu’on varie la tension de grille. Les données expérimentales (motifs en couleur) et la prédiction théorique (traits pleins noirs) sont en excellent accord.

 

Références :

[1] Superconducting interfaces between insulating oxides
N. Reyren, S. Thiel, A. D. Caviglia, L. Fitting Kourkoutis, G. Hammer, C. Richter, C. W. Schneider, T. Kopp, A.-S. Ruetschi, D. Jaccard, M. Gabay, D. A. Muller, J.-M. Triscone, J. Mannhart, Science 317, 1196 (2007)

[2] Electric field control of the LaAlO3/SrTiO3 interface ground state
A.D. Caviglia, S. Gariglio, N. Reyren, D. Jaccard, T. Schneider, M. Gabay, S. Thiel, G. Hammerl, J. Mannhart, J.-M. Triscone, Nature 456, 624 (2008)