Transporte em constrições geométricas de isolantes topológicos

• Ano de defesa: 2020
• Autor(a) principal: Maciel, Renan da Paixão
• Orientador(a): Ferreira Junior, Gerson
• Banca de defesa: Lewenkopf, Caio Henrique, Milla, Augusto Miguel Alcade
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Uberlândia
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-graduação em Física
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Transporte eletrônico; Spintrônica; Isolantes topológicos; Filtro de spin; Sistemas mesoscópicos; Quantum transport; Spintronics; Topological insulators; Spin filters; Mesoscopic systems
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
• Link de acesso: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/29209; http://doi.org/10.14393/ufu.di.2020.3616

O efeito Hall quântico de spin (QSHE, do ingles quantum spin Hall effect) é uma fase quântica da matéria em que o material bidimensional apresenta estados condutores na borda enquanto que permanece isolante em seu interior. Esta fase apresenta condutân- cia perfeita e quantizada mesmo em presença de impurezas não magnéticas ou defeitos geométricos que possam surgir num material semicondutor. Sua estrutura de bandas ele- trônica é representada por um cone de Dirac que representa aos estados de bordas do material. Em geral, a fase de QSHE ocorre nos isolante topológicos bidimensionais como consequência da correspondência bulk-fronteira. Em particular, aqui iremos considerar o isolante topológico HgTe-CdTe, descrito pelo Hamiltoniano BHZ. Para entender estes materiais e estudar suas propriedades eletrônicas, primeiro estudamos hamiltoniano tipo Dirac e conceitos de transporte relacionados ao formalismo de Landauer. Depois, imple- mentamos este hamiltoniano numericamente e exploramos suas propriedades eletrônicas simulando um sistema bidimensional com constrição geométrica. Durante esta etapa, consideramos um potencial de impureza no interior desta constrição e investigamos a dinâmica da densidade da corrente de spin. Para os parâmetros escolhidos para a constrição, induzimos os autoestados das bordas superior e inferior se hibridizarem. Como consequência, observamos abertura de um gap na relação de dispersão e o surgimento de ressonâncias de Fabry-Pérot no interior desta constrição (efeito semelhante aos harmônicos de uma corda de violão). Descobrimos que este fenômeno está relacionado com a criação de um número inteiro de vórtices dentro desta região de constrição. Nossos resultados nos permitem afirmar que este número está diretamente relacionados ao número de picos encontrados no gráfico de condutância. Em outras palavras, quando a energia corresponde ao primeiro pico de ressonância, obser- vamos apenas um vórtice sendo criado. Quando aumentamos a energia para o segundo pico, observamos dois vórtices, e assim por diante. Notamos também, que para um nú- mero par de vórtices a densidade de corrente é aproximadamente nula na região central. Consequentemente, surge um nó nesta região. A fim de explorar esta característica e de investigar o fenômeno de Fabry-Pérot, estudamos a dinâmica da corrente de spin na pre- sença de alguma impureza escalar ou magnética. (Aqui, consideramos a impureza como um potencial externo ou um contacto magnético colocado na região de constrição). Des- cobrimos que colocando a impureza no nó, apenas os números ímpares desses vórtices são afetados.