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Superfícies em semi-metal de Weyl

Processo: 18/05565-0
Linha de fomento:Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
Vigência (Início): 01 de maio de 2018
Vigência (Término): 30 de abril de 2020
Área do conhecimento:Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
Pesquisador responsável:Adalberto Fazzio
Beneficiário:Antonio Cláudio Michejevs Padilha
Instituição-sede: Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Ministério da Ciência, Tecnologia, Inovações e Comunicações (Brasil). Campinas , SP, Brasil
Vinculado ao auxílio:17/02317-2 - Interfaces em materiais: propriedades eletrônicas, magnéticas, estruturais e de transporte, AP.TEM
Assunto(s):Teoria do funcional da densidade   Isolantes topológicos   Nanotecnologia

Resumo

Isolantes topológicos (TI) são isolantes com bordas metálicas quando em interface com vácuo ou isolante trivial (TI'). A função de onda adquire fases geométricas distintas dos TI' ao percorrer um ciclo fechado na zona de Brillouin (BZ), definindo invariantes topológicos e gerando tais bordas. O primeiro sistema deste tipo, o efeito Hall Quântico (QH), apresenta fios metálicos perfeitos nas bordas, separados do estado isolante ao se aplicar intenso campo magnético perpendicular ao plano no qual elétrons estão confinados. O efeito QH contradiz a ideia que um sistema com gap de energia não transporta elétrons. O aparente paradoxo foi resolvido por Laughlin, e por Thaouless, Kohmoto, Nighting e Nijs (TKNN) ao relacionar as fases da função de onda com a condutividade transversal Ãxy, introduzindo a topologia na caracterização da matéria.A primeira BZ é entendida como variedade fechada, e pelo teorema de Gauss-Bonnet, a mesma é caracterizada por invariante topológico. Considerava-se condições para a existência de fases topológicas QH o campo magnético intenso e geometria 2D. Kane e Mele quebraram a condição do campo em um estudo sobre o grafeno (material 2D) ao incluírem acoplamento spin-órbita (SOC). Entretanto, por ter gap muito pequeno (~0,01 meV) sua realização experimental é impossível. Alternativamente, Molemkamp et al. obtiveram o efeito na heteroestrutura CdTe/HgTe, em que o estado metálico é diferente do QH. Como [H, LûS ] = 0 a simetria de reversão temporal (TRS) é preservada e elétrons com spins opostos movem-se em direções opostas nas bordas. Isto é o Quantum Spin Hall (QSH) e o material é TI, i.e. uma condição para o material ser TI são inversões de bandas devido ao SOC. Logo, materiais com elementos mais pesados e gap pequeno são possíveis TI.E materiais 3D? O Bi2Se3 e Bi2Te3 [Nat. Phys. 5, 398 (2009), Nat. Phys. 5, 438, (2009) e Science 325, 178 (2009)] têm estados de superfícies topologicamente protegidos contra perturbações que respeitam TRS. Nesse caso há textura de spin no plano e relação linear E x K - os cones de Dirac (DC). Em interfaces TI-TI' e TI-semicondutor (TI-SC) foi visto que fenômenos podem ocorrer em TI', como desdobramento do DC. Estamos estudando interfaces [Nat. Commun. 6, 7630 (2015)] em particular TI-GaAs e mostramos que o TI' adquire textura de spin devido às interações com estados topológicos da interface. Nosso modelo simples reproduziu resultados ab-initio (DFT), descrevendo a interação TI-SC: os estados da superfície DC, como vF '(k x Ã) z, e as bandas fronteiriças do TI' como ('2/2m* |k|2 +) ™, onde é a posição do ponto de Dirac em relação ao topo da faixa de valência.Recentemente descobriu-se uma classe de metais com topologia diferentes das triviais, os "topological Weyl semimetal" (TWS). TWS tem propriedades similares à estrutura de bandas do grafeno 3D e TI. Quando um estado degenerado é levantado por quebra de TRS ou por inversão, algumas bandas que se cruzam permanecem sem gap no semimetal e exibem dispersão linear nas 3 direções k, a partir do ponto de Weyl, análogo ao grafeno. Tais materiais apresentam aspectos de TI, diferindo nas proteções. No caso do TWS, a TRS é quebrada, mas simetrias pontuais como a inversão são preservadas, apresentando efeito Rashba e QH Anômalo. Estabilidade dos nodos de Weyl é ligada à proteção topológica inerente à estrutura de bandas. Tal topologia tem consequências físicas não usuais, como o aparecimento do "arco-de-Fermi" (FA) [Science 349, 613 (2015)]. Este fenômeno foi observado experimentalmente em TaAs por Arpes e recentemente NbP, NbAs e TaP foram preditos e/ou confirmados.O projeto consiste em estudo sistemático de superfícies de TWS. (i) Terminação em cátion e ânion, e influência sobre o FA. (ii) Propriedades desses materiais em superfícies desordenadas. Geraremos superfícies por Monte Carlo. (iii) E transporte eletrônico. TWS tem grande potencial em spintrônica e computação quântica. (AU)

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