Electrical and spin switching effects in high-temperature superconducting devices

Commutation résistive par effet de champs électriques et de spin dans des dispositifs à base de supraconducteurs à haute température critique Cette thèse porte sur l'étude de dispositifs à base d'oxydes supraconducteurs à haute température, dans lesquels un comportement de commutation de la supraconductivité est produit par application de champs électriques dans des structures de type transistor ou de champs magnétiques dans des vannes de spin. YBa₂Cu₃O₇₋ₓ (YBCO) est un cuprate supraconducteur à haute température critique (Tc) avec un diagramme de phase riche et complexe en fonction de la température et du dopage, dont la Tc dépend à la fois du désordre et de la stœchiométrie en oxygène. Un moyen possible pour contrôler sa teneur en oxygène est de déposer par-dessus un matériau réducteur et de profiter de la réaction chimique d'oxydoréduction se produisant spontanément à l'interface. Ce mécanisme est ici exploité dans un dispositif de type transistor dans lequel une grille en aluminium est placée sur un canal d'YBCO. Je démontre que l'application de tensions de grille permet de créer un mouvement d'ions oxygène entre les deux matériaux, produisant un effet memristor réversible et non volatile de la conductance à l'interface. De plus, le canal supraconducteur est affecté de manière irréversible par l'application de la tension de grille : la température critique diminue progressivement jusqu'à ce qu'un état isolant soit atteint. Je montre que cet effet est le résultat d'une migration d'oxygène activée thermiquement par effet Joule. Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de dispositifs à commutation résistive basés sur une transition de phase supraconducteur-isolant activée électriquement. Dans la deuxième partie, j'exploite l'interaction entre la supraconductivité et le ferromagnétisme, deux phénomènes généralement antagonistes du fait de l'incompatibilité de l'état singulet (spins opposés) des paires de Cooper et de la polarisation de spin induite par l'interaction d'échange ferromagnétique. Ceci est réalisé dans des vannes de spin, qui consistent généralement en deux couches ferromagnétiques séparées par une fine couche d'un matériel non magnétique et sont caractérisées par un état de faible résistivité lorsque les aimantations sont parallèles (pointant dans la même direction) et un état de forte résistivité lorsque les aimantations sont antiparallèles (pointant dans des directions opposées). Dans cette thèse, j'étudie un type spécifique de dispositif vanne de spin, appelé vanne de spin supraconductrice (VSS), dans lequel la couche centrale est constituée d'un matériau supraconducteur. La magnétorésistance de dispositifs formés d'YBCO et de deux couches de manganites demi-métalliques La₁₋ₓSrₓMnO₃ (LSMO) ou La₁₋ₓCaₓMnO₃ (LCMO) est mesurée lors de l'application d'un champ magnétique orthogonal à la direction du courant. Je mets en évidence une inversion de la magnétorésistance d'un comportement positif vers un comportement négatif, caractérisée par un état faiblement résistif alors que les aimantations des couches ferromagnétiques sont dans la configuration antiparallèle. Cette inversion peut être déclenchée en faisant varier la température, en changeant le sens du courant ou en modifiant l'angle d'incidence du champ magnétique. Bien qu'un tel renversement de la magnétorésistance ait déjà été observé dans des VSS à base de supraconducteurs basse Tc, mon travail démontre non seulement la possibilité de concevoir des dispositifs similaires tout en utilisant des supraconducteurs haute Tc, mais introduit également de nouveaux mécanismes d'inversion, avec des applications potentielles pour les mémoires magnétiques cryogéniques.