Description du sujet de thèse

Contexte : L’orbitronique, qui utilise les moments cinétiques orbitaux comme nouveau degré de liberté pour coder l’information, constitue un tout nouveau champ de recherche dont les perspectives semblent prometteuses pour révolutionner différents types
d’applications de la spintronique classique (mémoires non volatiles, oscillateurs radiofréquence, capteurs magnétiques) [1]. L’utilisation de courants orbitaux devrait en effet permettre le développement de dispositifs avec une plus basse consommation énergétique et ne nécessitant pas l’utilisation de métaux lourds, coûteux et souvent toxiques. Les moments orbitaux dans les solides étant intimement liés
au champ cristallin, les oxydes apparaissent comme des matériaux de choix pour générer des courants orbitaux facilement modulables, bien que ceux-ci n’aient jusqu’à présent pas été étudiés dans cette optique.

Objectifs : Au cours de cette thèse, nous proposons de calculer numériquement les moments orbitaux qui pourraient être générés expérimentalement dans des oxydes de métaux de transition. Nous essaierons dans un premier temps de trouver des composés
présentant des moments orbitaux qui pourront servir de réservoir pour générer des courants de moments orbitaux. Nous essaierons ensuite de comprendre comment l’ajustement d’une contrainte mécanique appliquée aux composés choisis peut permettre d’améliorer la propriété attendue. Des calculs des propriétés d’interface avec un métal ou un matériau ferroélectrique seront finalement réalisés afin de comprendre le comportement de ces matériaux dans des dispositifs proches de ceux étudiés expérimentalement. Les travaux entrepris durant cette thèse s’appuieront principalement sur des calculs ab initio de la structure électronique basés sur le formalisme défini par la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). L’étude comprendra de plus une partie développement de code qui sera nécessaire pour le traitement des résultats DFT et le calcul des moments orbitaux [2,3].

Prérequis : Le candidat devra avoir valider un diplôme de niveau Master et posséder de bonnes connaissances en physique de la matière condensée et mécanique quantique, ainsi qu’un fort intérêt pour la physique numérique. Il devra également être capable de
communiquer aisément ses résultats, à l’oral comme à l’écrit. Une maîtrise correcte d’au moins un langage de programmation est également souhaitée.

Références :
[1] D. Go, et al., Europhys. News 55/2, 28 (2024).
[2] A. Pezo, et al., Phys. Rev. B 108, 075427 (2023).
[3] A. Pezo, et al., Phys. Rev. B 111, L140405 (2025).

Contexte de travail

La thèse sera co-dirigée par Dr. Rémi Arras (CEMES, Toulouse) et Pr. Aurélien Manchon (CINaM, Marseille). Elle se déroulera au CEMES à Toulouse, démarrera à l’automne 2025 pour une durée de 3 ans et elle sera financée par le projet Matériaux oxydes pour l’orbitronique (OXIMOR) du PEPR SPIN (https://www.pepr-spin.fr/). Le projet OXIMOR réunit des expérimentateurs et théoriciens de 6 laboratoires, avec lesquels des échanges réguliers seront entretenus.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.