Correlações e topologia em dispositivos híbridos baseados em grafeno

Autor(es)

Antonio Lucas Rigotti Manesco

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: Lorena.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola de Engenharia de Lorena (EEL/ASDI)
• Data de defesa: 2021-06-01

Membros da banca

Durval Rodrigues Junior; Caio Henrique Lewenkopf; Tatiana Gabriela Rappoport; Luis Gregorio Godoy de Vasconcellos Dias da Silva

• Orientador: Durval Rodrigues Junior; Gabrielle Weber Martins

Resumo

Grafeno é um alotropo do carbono bidimensional com uma estrutura cristalina favo-de-mel em que as excitações eletrônicas se comportam como partículas de Dirac sem massa. A ausência de uma massa efetiva faz do grafeno um material sem gap e resulta em propriedades eletrônicas excepcionais. Trabalhos paradigmáticos, como os modelos de Haldane e de Kane-Mele, mostram que certos termos de massa levam a fases topologicamente não-triviais em materiais favo-de-mel. Contudo, tais massas são inexistentes ou desprezíveis em folhas de grafeno isoladas. Nessa tese, nós seguimos outra abordagem: nós investigamos fases topológicas em grafeno resultantes de correlações eletrônicas. Na primeira parte, nós exploramos a emergência de modos de Majorana com energia zero quando supercondutividade é induzida por efeito de proximidade nos estados de borda com antiferromagnetismo não-colinear. Nós derivamos uma teoria de baixas energias para os estados de Majorana combinando condições de contorno de reflexões normais e de Andreev. A natureza de duas bandas desse sistema nos motivou a extender a classificação de de supercondutores topológicos unidimensionais para sistemas multibandas. Nós finalmente investigamos experimentos no estado-da-arte em grafeno no estado Hall quântico em proximidade com um supercondutor e exploramos os possíveis mecanismospara a propagação de estados de Andreev na interface normal/supercondutor. Nossos resultados mostram que a interferência de estados de Andreev recentemente reportada ocorre por disordem na interface. Além disso, nós apontamos melhoras necessárias para alcançar o regime topológico. A segunda parte dessa tese é dedicada ao estudo de correlações eletrônicas em superedes de grafeno flambadas. A flambagem acontece por conta da relaxação da estrutura resultante da aplicação de tensão no plano do material. Por uma perspectiva de baixas energias, elétrons sentem a aplicação de um campo pseudo-magnético. Esse campo leva a formação de níveis de pseudo-Landau, levando a uma diminuição da largura de banda e aumento da densidade de estados no ponto de neutralidade de carga. Com isso, as interações elétronelétron aumentam, e fases correlacionadas aparecem. Nós provamos, usando o modelo de Hubbard, a existência de ferrimagnetismo modulado numa superrede e mostramos o controle elétrico das correlações eletrônicas. Ademais, nós desenvolvemos uma teoria de baixas energias para esse sistema e exploramos os efeitos de interações de longo alcance, mostrando uma fase charge density wave concorrente. Finalmente, nós mostramos que as duas fases correlacionadas apresentam regimes de isolante Hall quântico de vale, propondo superredes flambadas de grafeno como plataformas para topologia de vale resultante de correlações eletrônicas. (AU)

• Processo FAPESP: 16/10167-8 - Investigação de propriedades eletrônicas e topológicas de heterojunções supercondutor-grafeno para aplicações em dispositivos de computação quântica
• Beneficiário: Antonio Lucas Rigotti Manesco
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto