Ab initio calculations of “Rashba”-like spin-orbit effects in transition metal oxides and their interfaces

La "spinorbitronique" est un domaine de recherche en pleine expansion qui pourrait permettre de proposer de nouveaux dispositifs électroniques tirant profit de l'interaction spin-orbite afin d'en améliorer les performances, notamment en termes de consommation énergétique. Durant cette thèse, nous avons effectué des calculs numériques basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) afin de mieux décrire et comprendre les effets spin-orbite de type Rashba dans différents oxydes de métaux de transition et leurs interfaces. Ces calculs ab initio ont été complétés par des calculs reposant sur la méthode des liaisons fortes ou par le développement d'hamiltoniens basés sur la théorie des invariants, tout ceci dans le but de réaliser une analyse plus fine de l'origine des levées de dégénérescence en énergie observées dans la structure électronique en fonction du spin ou de l'orientation des textures de spin qui en résultent. Les différents résultats pourront servir à déterminer quels sont les paramètres primordiaux à optimiser afin d'obtenir les effets spin-orbite désirés pour une application donnée. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont principalement porté sur l'étude des couplages spin-orbite dans deux matériaux de structure pérovskite. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés à l'oxyde SrTiO3(001) interfacé avec LaAlO3, système déjà bien connu pour présenter un gaz d'électrons bidimensionnel et des taux de conversion spin-charge par effet Rashba-Edelstein particulièrement élevés. Par la suite, nous avons étudié l'oxyde ferroélectrique PbTiO3, qui est composé d'un élément chimique lourd et peut ainsi être présenté comme une alternative 3D aux systèmes à base de SrTiO3. Pour ce système, l'orientation de la polarisation électrique du matériau pourrait être contrôlée par l'application d'un champ électrique, mais aussi grâce à des effets de contraintes épitaxiales. Dans un troisième temps, nous avons présenté des résultats préliminaires obtenus pour le composé HfO2, ferroélectrique en couche mince, et nous avons montré comment ce matériau pourrait être utilisé pour contrôler les effets spin-orbite d'une couche de métal lourd adjacente. Finalement, nous avons proposé une description brève d'autres études réalisées durant cette thèse et qui viennent confirmer la richesse de la physique des oxydes de métaux de transition."Spinorbitronics" is a fast-growing field of research that aims at proposing new devices taking advantage of the spin-orbit interaction in order to improve the performance in regard to conventional electronic devices, especially in terms of energy consumption. During this thesis, we performed numerical calculations based on density-functional theory (DFT) in order to better describe and understand the "Rashba"-like effects arising from the spin-orbit interaction in different transition metal oxides and their interfaces. These ab initio calculations have been extended by calculations based on tight-binding models or by the development of Hamiltonians based on the theory of invariants, all of this, in the aim of carrying out a deeper analysis of the origin of spin splittings observed in the band structure or of the orientation of the resulting spin texture. A side goal of this thesis has been to determine the essential physical parameters to be optimized in order to obtain the desired spin-orbit effect. The work we performed was mainly focused on the study of spin-orbit couplings in two perovskite materials. First of all, we were interested in the SrTiO3 oxide interfaced with LaAlO3; this system is already well known for its capacity to host a two-dimensional electron gas and to display particularly high spin-charge-conversion rates through the Rashba-Edelstein effect. Subsequently, we studied the bulk ferroelectric oxide PbTiO3, which is composed of a heavy chemical element and can thus be presented as a 3D alternative to SrTiO3-based systems. For this system, the orientation of the electrical polarization could be controlled by the application of an electric field, but also by epitaxial strain effects. In addition to these two studies, we also present some preliminary results obtained for a ferroelectric thin-film of HfO2, in which we attempt to show how this material could be used to control the spin-orbit effects of an adjacent heavy-metal layer. Finally, we propose a brief description of other studies carried out during this thesis, which confirm the richness of the physics of transition-metal oxides