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Confinement and Superconductivity at the LaAlO3/SrTiO3 Interface
Get PDFThe interface between LaAlO3 and SrTiO3, two good band insulators, was found to be conducting
[1], and, in some doping range, superconducting with a maximum critical temperature of about 300
mK [2,3].
I will discuss in this presentation the electronic structure, superconductivity, and the Tc versus
doping phase diagram of LaAlO3/SrTiO3 and ((LaAlO3)0.5-(SrTiO3)0.5)-SrTiO3 interfaces. I will
also compare superconductivity at these interfaces with superconductivity in bulk doped SrTiO3 [4].
[1] A. Ohtomo, H. Y. Hwang, Nature 427, 423 (2004).
[2] N. Reyren, S. Thiel, A. D. Caviglia, L. Fitting Kourkoutis, G. Hammerl, C. Richter, C. W.
Schneider, T. Kopp, A.-S. Ruetschi, D. Jaccard, M. Gabay, D. A. Muller, J.-M. Triscone and J.
Mannhart, Science 317, 1196 (2007).
[3] A. Caviglia, S. Gariglio, N. Reyren, D. Jaccard, T. Schneider, M. Gabay, S. Thiel, G. Hammerl, J.
Mannhart, and J.-M. Triscone, Nature 456, 624 (2008).
[4] S. Gariglio, M. Gabay, and J.-M. Triscone, Review APL Materials, 4, 060701 (2016).Triscone, Jean-Marc. (2018). Confinement and Superconductivity at the LaAlO3/SrTiO3 Interface. Retrieved from the University Digital Conservancy, https://hdl.handle.net/11299/197532
Fabricating superconducting interfaces between artificially grown LaAlO3 and SrTiO3 thin films
No full textCombining PbTiO3 and SrTiO3 toward 180° ferroelectric domains
No full textCette thèse se centre sur l'étude des matériaux ferroélectriques et plus particulièrement sur le PbTiO3, qui se présente sous la structure cristalline pérovskite. Les ferroélectriques sont définis comme des matériaux ayant une polarisation spontanée qui doit pouvoir être renversée par l'application d'un champ électrique. Les ferroélectriques, connus depuis 1920, ont été très étudiés sous forme de céramiques. C'est grâce à l'évolution et au contrôle de méthodes de dépôts permettant la croissance de couches minces de qualité, que de nouvelles propriétés ont été découvertes. Ces avancées ont permis de mettre en évidence l'importance et le rôle des conditions de bords: un mauvais écrantage de la polarisation peut entraîner la formation de domaines de polarisation opposée, appelés domaines à 180°. Ces domaines, pouvant être observés par rayons X et microscopie à force atomique, ont des propriétés étonnantes modifiant la réponse physique du matériau – point central de ce travail
Two-dimensional electron gas in functional oxide interfaces
No full textDans cette thèse nous avons étudié l'interface entre un isolant, LaAlO3, et un semi-conducteur, SrTiO3, où un gaz électronique à été découvert. Dans cette thèse nous avons montré que cette interface devient supraconductrice à des températures inférieures à 300 mK et que le plan supraconducteur est bi-dimensionel (2D). Une évidence de supraconductivité en 2D est la transition de phase quantique vers un état isolant. Nous avons étudié ce phénomène sous l'effet de champs magnétiques et électriques. En utilisant cette approche, nous avons mis à jour un diagramme de phase caractérisé par un point critique quantique séparant une poche supraconductrice d'une phase localisée. Nous avons également mis en évidence le rôle clé dans ce contexte de l'interaction spin-orbite. Nous avons aussi observé des oscillations quantiques dans la résistance en fonction du champ magnétique. Ces résultats démontrent la présence d'états électroniques 2D provenant du confinement quantique
Electronic and structural studies of perovskite and infinite layer nickelates
No full textThis thesis explores the electronic and structural properties of rare-earth nickelates, a family of transition metal oxides that exhibit complex and rich phase transitions. When synthesized as epitaxial thin films, these materials provide an ideal platform to study emergent physical properties, such as metal-insulator transitions, coupled magnetic orders, and, more recently, superconductivity in the so-called "infinite-layer" phases.
The work begins with an introduction to transition metal oxides, their perovskite structures, and the oxygen octahedral distortions that impact the physical properties of these systems. Special attention is given to the physics of transition metal d-orbitals, which drive unconventional electronic behaviors. The potential of thin films and heterostructures to access novel quantum states is also discussed. A significant part of this thesis is dedicated to the growth and characterization of thin films obtained by RF magnetron sputtering, using topotactic solid-state reduction to access reduced phases. Structural characterizations are carried out by X-ray diffraction and reciprocal space mapping, while electronic properties are investigated by transport measurements and electron microscopy (both scanning and transmission). The studied systems include solid solutions such as Nd₁₋ₓSmₓNiO₃, which allow investigation of the effect of the ionic radius on the separation between electronic and magnetic transitions. Artificial superlattices combining NdNiO₃, SmNiO₃, and LaAlO₃ are also fabricated to tune interfacial couplings, with original observations on the decoupling of order parameters. Special emphasis is placed on artificial superlattices combining Nd₁₋ₓLaₓNiO₃ and SmNiO₃ layers, where careful control of periodicity and interface nature allows direct manipulation of the competition between metallic and insulating phases. It is demonstrated that a configuration usually metallic can become insulating due to the combined effect of interfaces and superlattice architecture, revealing the crucial role of phase boundaries in stabilizing new electronic states. The second part of the thesis focuses on infinite-layer phases, with the synthesis of NdNiO₂ via reduction of NdNiO₃, and the study of Eu doping effects. These investigations follow the direction first envisaged in the early days of high-temperature superconductivity research. In their 1987 Nobel lecture, Bednorz and Müller already mentioned LaNiO₃ as their starting point in searching for high-Tc superconductivity in oxides, owing to its metallic character and absence of Jahn-Teller distortion. In our infinite-layer nickelate samples, we observe superconductivity. Furthermore, our measurements reveal a spectacular re-entrant superconducting behavior under perpendicular magnetic fields, reminiscent of a mechanism predicted in 1962 by Jaccarino and Peter. The results presented here highlight the central role of structural and chemical engineering in controlling electronic phases. They also showcase the richness of nickelates as a platform for the development of "by design" functional materials, opening avenues for future research in correlated oxides and unconventional superconductivity.</p
Metal-insulator transitions in nickelate heterostructures
No full textDans cette thèse nous avons étudié des hétérostructures basées sur les perovskites nickelates RNiO3, où R est une terre rare. Les nickelates présentent une transition spectaculaire d'un comportement métallique à un comportement isolant en fonction de la température. Le but de cette thèse consiste à identifier les mécanismes physiques responsables de la transition métal-isolant et d'explorer les moyens de les manipuler. Nous avons trouvé que la transition dans NdNiO3 peut être manipuler en utilisant des contraintes de croissance compressives, la technique de l'effet de champ et de la lumière. De plus, nous avons induit une transition métal-isolant et un ordre magnétique dans des hétérostructures de LaNiO3, le seul membre de la famille des nickelates, qui par lui-même, ne manifestent ni de transition ni d'autres phénomènes d'ordre
Electronic and structural properties of LaNiO3-based heterostructures
No full textWe study the fundamental physical properties of LaNiO3, a correlated transition metal oxide, within the context of heterostructures. In this thesis we report on an intriguing thickness-dependence of the resistivity in the ultrathin limit, a strong dependence on the substrate lattice of the structure and a novel idea to apply the physics of so-called "negative U" insulators to the rare earth nickelates
Oxide superconducting thin films and interfaces studied using field effect
No full textNous avons étudié trois systèmes supraconducteurs quasiment bidimensionnels (2D): le NdBa2Cu3O7-δ, un supraconducteur à haute température critique (HTS), le SrTiO3 dopé au Nb (Nb-STO) et l'interface LaAIO3. Dans ces trois systèmes, nous avons examiné les propriétés de l'état supraconducteur pour mettre en évidence les signatures d'une transition 2D Berezinskii-Kosterlitz-Thouless. Dans le cas du HTS, en utilisant l'effet de champ électrostatique, nous avons, entre autre, vérifié la relation entre densité superfluide et température critique en accord quantitatif avec la relation d'Uemura. L'étude du Nb-STO était focalisée sur la modulation locale de la densité de charge par effet de champs ferroélectrique et ses conséquences sur les propriétés supraconductrices dans une hétérostructure supraconducteur/ferroélectrique. Finalement l'interface LaAIO3/SrTiO3 a été caractérisée dans l'état supraconducteur, en champ magnetique, ansi que par effet de champ électrostatique: ces mesures relèvent un diagramme de phase riche et une épaisseur de la couche supraconductrice de 10 nm
Transport properties of LaTio3+d and REBa2Cu3O7-d thin films: a study of correlation effects
No full textCette thèse étudie les propriétés électroniques de deux systèmes à fortes corrélations électroniques dont la densité de porteurs a été modifiée de façon contrôlée. Dans le premier système, la modification par dopage chimique du contenu en oxygène de couches minces de LaTiO3, un isolant de Mott, permet d'obtenir un système métallique dont les propriétés de transport (résistivité et effet Hall) peuvent être expliquées par un modèle de transport polaronique. Dans le deuxième système, l'effet de champ ferroélectrique est utilisé pour modifier le nombre de porteurs dans des couches ultra-minces ([plus petit que] 10nm) de NdBa2Cu3O7, un supraconducteur à haute température critique. Cette dernière technique a permis d'induire un changement de la température critique supraconductrice et une transition entre un état supraconducteur et un état isolant. L'étude de l'effet Hall, sous effet de champ, indique que le nombre de porteurs dans ces systèmes supraconducteurs ne change pas en fonction de la température
Field effect experiments in high-T<sub>c</sub> superconductors: a study of the transport properties in the underdoped regime
No full textCette thèse s'est développée à partir de l'étude des propriétés de transport dans la région sous-dopée du diagramme de phase "température en fonction du dopage" dans des couches minces de REBa2Cu3O7−δ (RE : terre rare). Notre étude souligne en particulier l'importance des fluctuations supraconductrices dans ces systèmes
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