Soutenance de thèse de Diego GARCIA

Dans cette Thèse de doctorat, nous étudions théoriquement la réponse électronique non linéaire des systèmes non centrosymétriques, telle que la réponse de Hall d'ordre supérieur dans les matériaux non magnétiques et les propriétés magnétoélectriques hors équilibre dans les aimants de basse symétrie. Nous avons appliqué des analyses de symétrie basées sur la théorie des invariants et effectué des simulations de transport quantique basées sur le formalisme cinétique quantique perturbatif pour explorer la nature de différents effets non conventionnels d'intérêt primordial en spintronique théorique et expérimentale et en matière condensée. Plus précisément, nous démontrons que l'effet Hall du second ordre dans les semi-métaux de Weyl est plus sensible à la géométrie des états quantiques qu'à leur topologie. De plus, le comportement du courant de Hall correspondant est lié à l'inclinaison des cônes de Weyl appartenant au système et au niveau de Fermi par rapport à l'énergie de Weyl. En outre, nous montrons l'émergence d'un effet Kerr magnéto-optique induit par un courant non nul dans des matériaux non magnétiques, preuve supplémentaire du lien entre l'aimantation orbitale hors équilibre et l'effet Hall du second ordre entraîné par le dipôle de la courbure de Berry. Nous sommes ensuite intéressés à la réponse magnétoélectrique des matériaux magnétiques de basse symétrie. En étudiant la réponse linéaire en champ électrique, mais d'ordre supérieur dans les composants de l'aimantation, nous concluons que de nouveaux termes encore non identifiés sont autorisés par les symétries réduites du cristal magnétique. Dans le cas des cristaux trigonaux, on découvre une pléthore d'effets Hall et de couples spin-orbite atypiques, mettant l'accent sur leur origine microscopique. Dans ce contexte, nous montrons que leur émergence et leur ampleur sont liées à l'interaction entre le remplissage de la bande et la distorsion trigonale de la surface de Fermi. Les réponses non linéaires des matériaux quantiques ouvrent des perspectives inédites en physique de la matière condensée, puisqu'elles nous invitent à explorer de nouveaux mécanismes pour sonder, entre autres, la structure de bande des matériaux non conventionnels.

In this doctoral Thesis, we investigate theoretically the nonlinear electronic response of non-centrosymmetric systems, such as the higher order Hall response in non-magnetic materials and the non-equilibrium magnetoelectric properties in low symmetry magnets. We have applied symmetry analyses based on the Invariant theory and performed quantum transport simulations based on the perturbative quantum kinetic formalism, exploring the nature of different unconventional effects of prime interest in theoretical and experimental spintronics and condensed matter. Specifically, we demonstrate that the second order Hall effect in Weyl semimetals is more sensitive to the geometry of the quantum states than their topology. Moreover, the behavior of the corresponding Hall current is connected to the inclination of the Weyl cones pertaining the system and the Fermi level with respect to the Weyl energy. Besides, we show the emergence of a non-vanishing current-induced magneto-optical Kerr effect in non-magnetic materials, as an additional evidence of the connection between non-equilibrium orbital magnetization and the second order Hall effect driven by the Berry curvature dipole. We then moved to the magnetoelectric response of low symmetry magnetic materials. Investigating the linear response in electric field, but higher order in magnetization components, we conclude that yet unidentified new terms are allowed by the reduced symmetries of the magnetic crystal. In the case of trigonal crystals, we discover a plethora of atypical Hall effects and spin-orbit torques, putting an emphasis on their microscopic origin. In this context, we show that their emergence and magnitude are related with the interplay between the band filling and the trigonal warping of the Fermi surface. The nonlinear responses of quantum materials open unprecedented perspectives in condensed matter physics, as they invite us to explore new mechanisms for probing, among others, the band structure of unconventional materials.