Soutenance de thèse – Hugo Witt

Le 17 décembre à 13h30 (auditorium TRT),  Hugo Witt soutiendra sa thèse intitulée « Supraconductivité et couplage spin-orbite multibandes aux interfaces de KTaO3 », préparée sous la direction de Isabella Boventer, Nicolas Bergeal & Manuel Bibes.

Résumé : 

Les besoins croissants de performances de calcul toujours plus élevées et d’efficacité énergétique, couplés aux limites physiques fondamentales de la miniaturisation des semi-conducteurs, nécessitent un changement de paradigme de traitement de l’information. Dans ce contexte, le domaine des technologies post-CMOS émerge comme le prochain horizon technologique. La spintronique, s’appuyant le spin de l’électron plutôt que sa charge, offre une voie prometteuse pour intégrer les fonctions mémoire et logique et réduire 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 pourrait ouvrir une nouvelle voie 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 couplage spin-orbite.

Cette thèse étudie les propriétés électroniques d’une nouvelle plateforme matériau destinée à la fabrication de dispositifs spintroniques et la recherche de supraconductivité topologique. Nous nous intéressons aux gaz d’électrons bidimensionnels (2DEG) à base de KTaO3, qui présentent un couplage spin-orbite de type Rashba et une supraconductivité forte, pouvant être modulés dynamiquement par des champs électriques. Grâce à la spectroscopie de photoémission, au magnétotransport à champ élevé et à la spectroscopie d’absorption, ces travaux détaillent la structure de bande anisotrope des interfaces de KTaO3 avec les orientations 111 et 110, révélant des propriétés électroniques dépendantes de l’orientation. Des mesures de transport non réciproque de la magnétorésistance mettent en évidence l’anisotropie des propriétés électroniques, avec des composantes harmoniques attribuées à la diffusion multibande et à la conversion charge-spin via l’effet Edelstein. Les coefficients Rashba estimés présentent une dépendance directionnelle directement liée aux textures de spin et orbitales du système.

En régime supraconducteur, des mesures de transport 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. Dans une autre expérience, la spectroscopie par effet tunnel de jonctions Au/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.