Multiscale modeling of spin-orbitronic phenomena at metal, oxide, and 2D material interfaces for spintronic devices
Place : IRIG/SPINTEC, CEA Building 10.05, auditorium 445 (access needs authorization. Request it before August 20th to admin.spintec@cea.fr)
video conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/94186593072?pwd=IX1RzeKj0nu9V9Dk30cJkO49RdBa20.1
Meeting ID: 941 8659 3072
Passcode: 483602
Abstract : Spintronics is a dynamic field of research that has given birth to multiple commercial applications of new-generation nanoelectronics utilizing the spin degree of freedom of the electrical current. Identifying suitable materials that host attractive spin-related phenomena is a crucial task in the pursuit of energy-efficient and disruptive computation and memory technologies. Such material discovery can be accelerated by ab initio calculations, which also provide important insights into the underlying physical phenomena. In this thesis, we use a complete set of ab initio computational methods to investigate magnetic and spin transport phenomena at interfaces and 2D materials, utilizing density functional theory (DFT), Wannier functions and tight-binding models for the electronic ground state, in conjunction with Landauer-Büttiker, Kubo and Valet-Raimondi quantum transport formalisms. (1) We provide microscopic explanations for the experimentally observed decrease of Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) and a double transition of the sign of magnetic anisotropy in Pt/Co/Al/AlOx heterostructures with an increasing Al insertion thickness. (2) We show that Cr2Te3 films should exhibit an anomalous Hall effect sign reversal, confirming experimental observations, besides addressing the films’ structural and magnetostatic properties. (3) We predict that asymmetrical Janus CrXY monolayers can serve as an all-in-one platform for field-free spin-orbit torque (SOT)-switched perpendicular magnetic random access memories (MRAM). (4) We demonstrate the role of disorder and vertex corrections in ab initio SOT calculations, based on the newly developed kinetic theory of Valet and Raimondi. (5) We finally propose a plausible explanation for the switching mechanism of the technologically important ferroelectric Rashba semiconductor GeTe. The supplementary results address the role of a hybrid functional for ab initio spin expectation values, magnetostatic properties of PdNi binary alloys, spin-transfer torque (STT) in a graphene lateral spin valve and a possible inverse effect of the recently coined 3m torque.
Résumé : La spintronique est un domaine de recherche dynamique qui a donné naissance à de multiples applications industrielles de la nanoélectronique de nouvelle génération utilisant le degré de liberté de spin des électrons. L’identification de matériaux appropriés qui hébergent des phénomènes attrayants liés au spin est une tâche cruciale dans la recherche de technologies pour le calcul et les mémoires économes en énergie et technologies de rupture. Une telle découverte de matériaux peut être accélérée par des calculs ab initio, qui fournissent également des informations importantes sur les phénomènes physiques sous-jacents. Dans cette thèse, nous utilisons un ensemble complet de méthodes de calcul ab initio pour étudier les phénomènes magnétiques et de transport de spin aux interfaces et dans les matériaux 2D, en utilisant la théorie fonctionnelle de la densité (DFT), les fonctions de Wannier et les modèles de liaisons fortes pour décrire l’état fondamental des électrons, en conjonction avec les formalismes de transport quantique de Landauer-Büttiker, Kubo et Valet-Raimondi. (1) Nous fournissons des explications microscopiques pour la diminution observée expérimentalement de l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) et une double transition du signe de l’anisotropie magnétique dans les hétérostructures Pt/Co/Al/AlOx avec une épaisseur d’insertion d’Al croissante. (2) Nous montrons que les films Cr2Te3 devraient présenter une inversion inhabituelle du signe de l’effet Hall extraordinaire, confirmant les observations expérimentales, en plus d’étudier les propriétés structurelles et magnétostatiques des films. (3) Nous prévoyons que les monocouches asymétriques Janus CrXY peuvent servir de plateforme tout-en-un pour les mémoires perpendiculaires commutées par couple de spin-orbite (SOT) sans champ magnétique. (4) Nous démontrons le rôle du désordre et des corrections de vertex dans les calculs ab initio du SOT, basés sur la théorie cinétique nouvellement développée de Valet et Raimondi. (5) Nous proposons enfin une explication plausible du mécanisme de commutation du semi-conducteur ferroélectrique Rashba technologiquement important, GeTe. Les résultats supplémentaires abordent le rôle d’une fonctionnelle hybride pour le calcul des valeurs attendues de spin obtenues par les méthodes ab initio, les propriétés magnétostatiques des alliages binaires PdNi, le couple de transfert de spin (STT) dans une vanne de spin latérale en graphène, et la possibilité de l’effet inverse du couple appelé 3m.
Jury :
- Stefan Blügel, Professeur, University RWTH Aachen, Rapporteur
- Cyrille Barreteau, Directeur de recherche, CEA Saclay, Rapporteur
- Liliana Buda-Prejbeanu, Professeure des universites, Grenoble INP–UGA, Examinatrice
- Xavier Blase, Directeur de recherche, CNRS Délégation Alpes, Examinateur
- Jakub Železný, Scientist, Czech Academy of Sciences, Examinateur
Thesis supervisors :
- Mairbek Chshiev, Directeur de thèse
- Jing Li, Co-encadrant de thèse