Topological states on surfaces and interfaces of perovskite transition metal oxides

Etats topologiques aux surfaces de perovskites d'oxydes de métaux de transition

Manali Vivek (1)

1 LPS - Laboratoire de Physique des Solides

The subject of topology in oxides, in particular at the surfaces of perovskite oxides like SrTiO₃, or at the interface of LaA1O₃/SrTiO₃ will be investigated in this thesis. Both compounds, at their (001) oriented surfaces, contain a metallic state confined to a few nanometers at the surface. In addition, we will show that there exist certain three band crossings around which perturbations will cause an inverted and gapped band spectrum to appear. These will lead to topological edge states which can be detected via induced superconductivity as in the case of topological quantum wells or superconductor-semiconductor nanowires. Next, the (111) oriented surface of LaA1O₃/SrTiO₃ will be studied where Hall transport measurements reveal a one to two carrier transition via electrostatic doping. An explanation based on a tight binding modelling including Hubbard U correlations, will be proposed which will give rise to band crossings between sub-bands promoting topological states. Finally, an ab-initio study of CaTiO₃ will be performed to explain the metallic state which exists at its (001) oriented surface and to predict magnetism in the system. CaTiO₃ is different from the other compounds studied previously, due to the large rotation and tilting of the oxygen octahedra surrounding the Ti, which complicates the picture. The structure with and without oxygen vacancies will be studied in-depth to provide details about the conduction band and their orbital characters.

Le sujet de la topologie dans les oxydes, en particulier à la surface des oxydes de pérovskite comme SrTiO₃, ou à l'interface de LaA1O₃ / SrTiO₃ sera étudié dans cette thèse. Les deux matériaux, à leurs surfaces orientées (001), contiennent un état métallique limité à quelques nanomètres de la surface. De plus, nous montrerons qu'il existe certains croisements de trois bandes autour desquelles des perturbations vont provoquer l'apparition d'un spectre de bandes inversées et gappées. Ceux-ci conduiront à des états de bord topologiques qui peuvent être détectés via la supraconductivité induite comme dans le cas des puits quantiques topologiques ou des nanofils des supraconducteurs-semi-conducteurs. Ensuite, la surface orientée (111) de LaA1O₃ / SrTiO₃ sera étudiée lorsque les mesures de transport de Hall révèlent une transition de un à deux porteurs par dopage électrostatique. Une explication basée sur un modèle de liaisons fortes incluant des corrélations U de Hubbard sera proposée, ce qui donnera lieu à des croisements de bandes entre les sous-bandes favorisant les états topologiques. Enfin, une étude ab-initio de CaTiO₃ sera effectuée pour expliquer l'état métallique qui existe à sa surface (001) orientée et pour prédire le magnétisme dans le système. CaTiO₃ est différent des autres composés étudiés précédemment, en raison de la grande rotation et de l'inclinaison des octaèdres d'oxygène entourant le Ti, ce qui complique les faits. La structure avec et sans lacunes d'oxygène sera étudiée en profondeur pour fournir des détails sur la bande de conduction et leurs caractères orbitaux.

Mots clés: Interfaces; Surfaces; Transition metal oxides; Topology

Mots clés: Topologie; Interfaces; Surfaces; Oxydes; Métaux de transition

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]; Electrons fortement corrélés [cond-mat.str-el]

Manali Vivek. Topological states on surfaces and interfaces of perovskite transition metal oxides. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. English. ⟨NNT : 2018SACLS216⟩. ⟨tel-01890133⟩