On Wednesday 9 January 2019 at 13:30 in , Amphithéâtre du CNRS (Bat Administratif – Tour A), Laurent Vila CEA/SPINTEC-Univ. Grenoble Alpes
defends his habilitation (Habilitation à Diriger des Recherches, HDR), with title:
[English] Spin currents and spin-orbit coupling
The influence of spin-orbit coupling on transport properties has recently revived a strong interest. This coupling between the spin state and atomic orbitals notably induces a phase shift or diffusion asymmetry between up and down spins in the direction transverse to the electric current: this is the spin-Hall effect. Initially a laboratory curiosity, these orbital spin effects inducing new transport mechanisms, such as the Edelstein-Rashba effect, or spin-orbit couples acting on magnetization, have become a major issue of basic research but also applied. In the first place, these effects do not necessarily require the use of ferromagnetic materials, since a paramagnetic material, such as Pt, will make it possible to induce a spin current from a charge current. Conversely, the spin Hall effect or inverse Edelstein, will transform a spin current into a charge current. Generating and detecting spin information can thus be done without the need for magnetic materials. Second, the source of angular momentum can then be brought into direct contact with the ferromagnetic element. The electric current will also be able to circulate along the interfaces in the FM / SOM type structures (or FM and SOM, respectively are the ferromagnetic materials and the material with strong spin-orbit coupling), contrary to what has been mainly studied these last two decades, where the electric current passes through the interfaces (GMR, or TMR, in current configuration perpendicular to the plane of the layers). It is therefore a double paradigm shift, the use of high spin-orbit coupling materials and the return to current configurations along the spintronic interfaces. It is in this context that my activity is positioned on spin currents and spin-orbit coupling.
In my work I have been interested in studying the magnetic properties of various nanostructures in order to understand and apply emerging concepts of spintronics and nanomagnetism. During this presentation I will first detail the studies that allowed us to study and implement the control of the magnetic state in the systems studied. Then, I will present our results on spin current injection in spin and spin spin valves. Then comes a part on the use of spin-orbit coupling, spin Hall effect and Edelstein-Rashba before presenting the perspectives from this work.
[French] Courants de spin et couplage spin orbite
L’influence du couplage spin-orbite sur les propriétés de transport a récemment ressuscité un fort intérêt. Ce couplage entre l’état de spin et son orbitale atomique, va notamment induire une asymétrie de déphasage, ou de diffusion, entre les spins up et spins down dans la direction transverse au courant électrique, c’est l’effet Hall de spin. Au départ une curiosité de laboratoire, ces effets spin orbite sur les mécanismes de transport, comme l’effet Edelstein-Rashba, ou les couples de spin orbite agissant sur l‘aimantation, sont devenus un enjeu fort de la recherche fondamentale mais également appliquée. En premier lieu, ces effets ne nécessitent pas forcement le recours aux matériaux ferromagnétiques, puisqu’un matériau paramagnétique, comme le Pt, va permettre d’induire un courant de spin à partir d’un courant de charge. Réciproquement, l’effet Hall de spin ou Edelstein inverse, vont transformer un courant de spin en un courant de charge. Générer et détecter une information de spin peut ainsi se faire sans forcément les matériaux magnétiques. En second lieu, la source de moment angulaire pourra alors être mise en contact direct avec l’élément ferromagnétique. Le courant électrique va également pouvoir circuler le long des interfaces dans les structures types FM/SOM (ou FM et SOM, sont respectivement les matériaux ferromagnétiques et le matériau à fort couplage spin-orbite), au contraire de ce qui a été majoritairement étudié ces deux dernières décennies, où le courant électrique passe au travers des interfaces (GMR, ou TMR, en configuration de courant perpendiculaire aux plans des couches). C’est donc un double changement de paradigme, l’utilisation des matériaux à fort couplage spin-orbite et le retour aux configurations de courant le long des interfaces en spintronique. C’est dans ce contexte que se positionne mon activité sur les courants de spin et le couplage spin-orbite.
Dans mes travaux je me suis intéressé à l’étude des propriétés magnétiques de diverses nanostructures en vue de la compréhension et la mise en application de concepts émergents de la spintronique et du nanomagnétisme. Au cours de cette présentation je détaillerai d’abord les études qui nous ont permis d’étudier et mettre en place le contrôle de l’état magnétique dans les systèmes étudiés. Dans le chapitre suivant, je présenterai nos résultats sur l’injection de courant de spin dans les vannes de spins latérales et par pompage de spin. Viendra ensuite la partie sur l’utilisation du couplage spin orbite, effet Hall de spin et Edelstein-Rashba avant de présenter les perspectives issues de ce travail.
Jury :
Alexandra Mougin, LPS, Orsay, rapportrice
Jean-Francois Bobo, CEMES, Toulouse, rapporteur
Stéphane Mangin, IJL, Nancy, rapporteur
Dominique Givord, Institut Néel
Joel Cibert, Institut Néel
