Propriétés d'équilibre et de transport électronique dans des jonctions hybrides entre supraconducteurs et matériaux ferromagnétiques et/ou à fort couplage spin-orbite

Abstract

Nous avons considéré la compétition entre la supraconductivité conventionnelle (S) et les champs agissant sur le spin, comme l'effet Zeeman et le couplage spin-orbite. Dans un supraconducteur conventionnel, les électrons de spins et d'impulsions opposés forment des paires de Cooper. Par effet de proximité, les correlations de paire pénètrent dans des conducteurs dans l'état normal (N) sur une longueur typique. Cet effet de proximité donne lieu à des phénomènes cohérents de phase qui sont très fortement modifiés en présence de correlations ferromagnétiques (F) ou de fort couplage spin-orbite. Par exemple, l'effet de proximité est très fortement réduit dans un matériau ferromagnétique qui favorisera un alignement des spins dans une direction commune, contrairement à l'appariement singulet de spin de la supraconductivité. Un autre effet important est l'effet Josephson qui consiste en un courant non dissipatif de paires de Cooper entre deux supraconducteurs séparés par un lien faible.Nous avons étudié l'effet Josephson dans une jonction entre deux supraconducteurs avec champs d'échange. Nous supposons que l'orientation dun champ d'échange peut être controlé individuellement dans chaque électrode supraconductrice. Quand les champs d'échange sont antiparallèles, nous avons trouvé qu'il est possible d'augmenter le courant Josephson critique en augmentant la norme de ces champs d'échange antiparallèles, ce qui paraissait contre-intuitif au départ. Les états liés d'Andreev (ELA) n'avaient pas été étudiés en détail dans ce type de jonctions. Nous avons donc analysé leurs propriétés spectrales, et démontré que pour des champs d'échange de même sens, on a généralement la suppression des ELA pour certains intervalles de la différence de phase supraconductrice. En général, le courant Josephson est porté en partie par les ELA et en partie par le continuum des états d'énergie au dessus du gap.La suppression de l'effet de proximité supraconducteur dans les hétérojonctions magnétiques peut être évitée en générant des composantes triplet des correlations de paire ayant des projections de spin orthogonales au champ. En théorie, ces corrélations triplet à longue portée (CTLP) peuvent être engendrées par la présence simultanée de couplage spin-orbite (CSO) et d'un champ d'échange uniforme, mais cela n'a pas encore été confirmé expérimentalement. Nous proposons des designs de jonctions favorables pourmettre en évidence ces CTLP, et nous calculons le courant Josephson pour deux types de CSO.Nous nous sommes aussi intéressés aux courants de spin d'équilibre dans des nanofils normaux et supraconducteurs. Dans un nanofil en présence de couplages spin-orbite et Zeeman, nous montrons que des courants de spin à l'équilibre conduisent à des accumulations de spin aux extrémités du fil. Cette propriété existe à la fois dans l'état normal et l'état supraconducteur, indépendamment du degré de désordre. Cette polarisation de spin transverse augmente fortement dans l'état supraconducteur quand le couplage Zeeman est de l'ordre de grandeur du gap supraconducteur, conduisant à une susceptibilité transverse bien supérieure à la susceptibilité longitudinale.Dans le dernier chapitre de la thèse, nous étudions le transport électronique dans des hétérostructures de semimétaux de Weyl. Cette classe de matériaux a une dispersion relativiste autour de points de Weyl caractérisée par une chiralité bien définie à basse énergie. Nous avons découvert un effet de filtre de chiralité à l'interface de deux semimétaux de Weyl, qui apparaît lorsque les points de Weyl de part et d'autre de l'interface sont séparés en énergie et en impulsion. Nous avons calculé la conductance différentielleà travers une telle interface et identifié les régimes de transport laissant passer i) aucune, ii) une ou bien iii) les deux chiralités.