Mémoires de Mott

Mémoires de Mott...
Contact : Jean-Pascal BRISON DSM/INAC/SPSMS [email protected] 0438785248
Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Résumé :
Les isolants de Mott sont l'exemple le plus ancien et le mieux compris de système électronique à fortes corrélations : ce sont des matériaux qu'un
calcul de bande « standard » donnerait pour métalliques, mais qui se révèlent en réalité être isolants. L'état métallique reste néanmoins pas si lointain,
et il peut souvent être restauré par une pression, une excitation lumineuse, ou un champ électrique. Par ailleurs, ces deux états (métalliques et
isolants) sont souvent associés à d'autres ordres de charge, de spin, d'orbite : la physique de ces systèmes est très riche (cuprates supraconducteurs
à haute température critique, manganites à magnétorésistance géante, multiferroïques...), et offre de nouvelles fonctionnalités à ces matériaux qui
commencent à être exploités pour des applications.
Mais la propriété qui nous intéresse pour ce projet est d'abord la proximité des deux états, métallique et isolant, qui ouvre des perspectives pour les
applications dans le domaine de la micro-électronique. Plus particulièrement, on s'intéresse au cas des mémoires, ou un champ électrique, généré par
une tension de l'ordre du volt, contrôle la transition de l'état isolant vers un état métallique de façon volatile ou non volatile (suivant la durée et
l'intensité du champ).
Cet effet surprenant, est très semblable en apparence à celui observé dans les mémoires résistives à base d'isolants de bandes (claquage
diélectrique), mais pourrait provenir d'un mécanisme complètement différent, que l'ont veut étudier et par des études fondamentales, et sur des
dispositifs réalistes préparés avec le LETI.
Sujet détaillé :
Ce projet de thèse est axé sur l'étude des propriétés fondamentales de matériaux isolants de Mott, ainsi que sur les caractéristiques de l'état
métallique induit sous champ électrique. L'objectif est de mieux comprendre le mécanisme de transition sous champ électrique, et de cerner si ces
isolants de Mott apportent réellement un plus pour les applications. Il se fera en co-direction entre une équipe de l'INAC/SPSMS connaissant bien la
physique des systèmes à fortes corrélations électroniques, et une équipe du LETI/DCOS en pointe dans la recherche sur les mémoires résistives.
Nous commencerons par étudier des composés de la famille des spinelles AM4Q8 (A=Ga ou Ge, M=V, Mo, Ta..., Q=S ou Se) sous forme de
monocristaux qui sont élaborés au laboratoire. Le candidat pourra participer à la croissance et à la caractérisation des échantillons. Nous étudierons
les propriétés intrinsèques par la détermination des diagrammes de phase pression-température pour explorer la transition métal isolant, mais aussi la
grande variété de phases qui peuvent émerger dans ces systèmes (transition structurale, ordre magnétique, multiferroique, supraconductivité). Ces
études se feront par des mesures sous pression de résistivité électrique mais également de calorimétrie, technique originale qui permet d'explorer
aussi la phase isolante. Ces études pourront être complétées par des campagnes de mesures utilisant les grands instruments (rayonnement
synchrotron (ESRF), Neutrons (ILL) ou Champs magnétiques intenses (LNCMI).
Nous étudierons également la transition « métal-isolant » induite par champ électrique dans des échantillons monocristallins et dans des couches
minces de ces matériaux : nous ferons varier le gap de Mott grâce à la pression, et nous réaliserons également des mesures très basse température
(TկK) sur des échantillons rendus métalliques sous champ, pour les comparer à l'état métallique thermodynamique obtenu sous pression, et
rechercher des effets quantiques du transport électronique à travers un filament quasi-1D.

Sur les couches minces, un objectif majeur sera de réaliser un dispositif avec la technologie CMOS du LETI, permettant de tester en conditions
contrôlées les performances de ces matériaux, et de les comparer à celle des isolants de bande : pour cela il faut pouvoir contrôler le courant dans la
couche mémoire au moment de la transition métallique, ce qui est fait par un transistor en contact directe avec cette couche. C'est inaccessible aux
moyens « standards » des laboratoires de recherche fondamentale, mais essentiel pour progresser sur la question de l'intérêt applicatif de ces
systèmes.
Cette thèse permettra donc au candidat d'aborder des questions fondamentales en physique tout en apprenant beaucoup de techniques, et lui
donnera un profil rare allant de la croissance de matériaux massifs ou en couche mince, des mesures en conditions extrêmes, à la réalisation de
dispositifs modèles pour la nanoélectronique. Sa connaissance de la physique des systèmes fortement corrélés, appelés à jouer un rôle de plus en
plus important dans les applications de demain, pourra encore être enrichie par une collaboration avec l'IPhT, laboratoire de physique théorique de
Saclay en pointe dans la compréhension et la prédiction des propriétés électroniques des systèmes électroniques à fortes corrélations.
Compétences requises :
Bonnes compétences en physique de la matière condensée, goût pour la physique expérimentales, physique en conditions extrêmes de basse
température/pression, pour la collaboration avec des équipes technologiques (au LETI)