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Anéis quânticos semicondutores ideais / Ideal semiconductor quantum ringsCosta, Diego Rabelo da January 2011 (has links)
COSTA, Diego Rabelo da. Anéis quânticos semicondutores ideais. 2011. 182 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2011. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-06-01T22:03:40Z
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Previous issue date: 2011 / Nos últimos anos, numerosos avanços alcançados nas técnicas de crescimento de materiais deram origem à formação de várias heteroestruturas de semicondutores, onde se podem confinar elétrons e buracos em uma ou mais direções, através de barreiras de potencial. Muitos pesquisadores recentemente têm estudado estruturas de baixas dimensionalidades, tais como pontos e fios quânticos, devido à sua importância em inúmeras aplicações tecnológicas em dispositivos opto-eletrônicos como, por exemplo, LASERS, sensores biológicos, diodos e transistores. Um exemplo interessante que é alvo de estudo nesse trabalho é a estrutura chamada anel quântico, uma estrutura de confinamento tridimensional obtida após um processo de annealing no crescimento de pontos quânticos. No estudo das propriedades opto-eletrônicos de anéis quânticos, é de grande importância calcular os níveis de energia dos portadores de carga e as funções de onda a fim de analisar os autoestados do sistema. Desse modo, resolvemos a equação de Schrödinger independente do tempo para elétrons confinados em um anel quântico semicondutor na presença de um campo magnético, perpendicular ao plano do anel, utilizando a aproximação da massa efetiva. Sob algumas aproximações, consideramos que o confinamento dentro da região do anel é muito forte, tal que o problema é reduzido à variável angular, onde a largura e altura contribuem somente com termos constantes para a energia total. Avaliamos numérica e analiticamente o problema do anel na ausência de qualquer força externa, obtendo o Efeito Aharonov-Bohm, no qual o espectro de energia oscila periodicamente com a variação do campo magnético. Estudamos também os efeitos de potenciais perturbativos no espectro de energia de anéis quânticos. Primeiramente, consideramos o caso de um potencial gerado pela aplicação de um campo elétrico no plano do anel. Encontramos soluções analíticas e numéricas para o problema do anel com e sem um campo magnético axial. Mostramos que a presença de campo elétrico ergue a degenerescência angular dos estados de energia do elétron, suprimindo as oscilações Aharonov-Bohm para os níveis mais baixos de energia. Investigamos também as influências no espectro de energia devido à presença de uma ou mais impurezas positivas localizadas de maneira simétrica e assimetricamente ao longo do anel. Para N impurezas igualmente espaçadas, observamos as oscilações Aharonov-Bohm para os estados de menor energia e a formação de sub-bandas de energia compostas por N estados, enquanto para sistemas assimétricos o efeito não foi visto e os estados que formam as sub-bandas não mais se cruzam. De maneira análoga ao caso das impurezas, vimos que a presença de superredes de poços de potenciais quadrados acopla os estados de energia em sub-bandas, devido à simetria rotacional do anel quântico. Analisamos também o comportamento das 'minibandas', formadas pelos estados ligados da superrede, com relação ao confinamento do potencial e comparamos o espectro de energia com a variação do campo magnético para um e mais poços quadrados. Por fim, discutimos os efeitos no espectro de energia do exciton no anel quântico devido à presença de um campo elétrico e de uma impureza negativa. Mostramos que os estados de mais baixa energia do exciton não oscilam quando consideramos o potencial coulombiano de interação elétron-buraco, mas a presença de uma impureza em certas localizações ergue as oscilações Aharonov-Bohm, que podem ser suprimidas pela adição do campo elétrico no plano do anel. Expomos assim o comportamento instável das oscilações nas energias excitônicas na presença de perturbações.
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Anéis quânticos em mono- e bicamadas de GrafenoXavier, Leandro Jader Pitombeira January 2016 (has links)
XAVIER, L. J. P. Anéis quânticos em mono- e bicamadas de grafeno. 2016. 89 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2016. / Submitted by Pós-Graduação em Física (posgrad@fisica.ufc.br) on 2017-04-06T17:23:06Z
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Previous issue date: 2016 / One important field of solid-state physics is the investigation of low-dimensional devices, in
which the charge carriers motion is confined in one, two or three dimensions. One important class
of such systems are quantum rings, they are a natural systems to investigate quantum interference
phenomenon in transport properties, Aharonov-Bohm oscillations and persistent currents. On
the other hand, graphene, a planar monolayer of carbon atoms arranged on two-dimensional
hexagonal lattice, exhibits peculiar properties like a pseudo-relativistic charge carriers behavior
nest to the Fermi level and is expected to lead to the development of new devices. In this work,
we studied located states in quantum rings in monolayer and bilayer graphene.
One known that, due a interaction with substrate, monolayer graphene can develop a mass term
in the Dirac-Weyl equation that describes the charge carriers nest to Fermi level. Furthermore,
a mass inversion, obtained through defects on the substrate, can confine charge carriers in
the interface of sign change. We studied a system where the sign inversion happens along a
circle, therefore, forming a ring-like confinement. The electronic dispersion was calculated as a
function of the radius of the circular line defect and the intensity of the mass term induced ether
analytically, by continuous model, or numerically, through tight-binding model. Our analytical
results show very good agreement with the tight-binding ones. Furthermore, the energies levels
are weakly dependent on the intensity of mass term. The states are robust in the presence of
disorder, in the sense that non-magnetic can not break the valley degeneracy and are immune
to backscattering, like topological states. Also was studied the influence of a external magnetic
field and, besides the Aharonov-Bohn oscillations, we found that tunning tha magnetic field, on
can control the ground state valley.
Under a heterogeneously potential bias, one can confine the charge carriers motion in a bilayer
graphene, but, besides the conventional confinement, it is possible to define a topological
confinement, in which the potential bias reverse the sign on the confinement zone. Analogously
to the monolayer ring, we propose a system where that inversion happens in a circular line,
therefore, forming a ring-like confinement in bilayer graphene. The electronic dispersion was
calculated analytically as a function of the radius of the circular line, the intensity of potential
bias and the intensity of a external magnetic field using the continuous model. The states in such
system, similar to the monolayer one, are robust to a non-magnetic disorder and a backscattering. / Um importante campo da pesquisa em física do estado sólido é a investigação de sistemas
de baixa dimensionalidade, nos quais o movimento do portadores de carga está confinado em
uma, duas ou três dimensões. Uma importante classe desses sistemas são os anéis quânticos,
eles formam um sistema natural para a investigação de fenômenos de interferência quântica
e de transportes, como as oscilações de Aharonov-Bohm e correntes persistentes. Por outro
lado, o grafeno, uma folha plana de átomos de carbono disposto em uma rede hexagonal, exibe
propriedades peculiares como o comportamento pseudo-relativístico dos portadores de cargas
próximos do nível de Fermi e espera-se sua aplicação no desenvolvimento de novos dispositivos
eletrônicos. Nesse trabalho, estudamos estados localizados de anéis quânticos em monocamada
e bicamada de grafeno.
Sabe-se que, devido a uma interação com um substrato, uma monocamada de grafeno pode
desenvolver um termo de massa na equação de Dirac-Weyl que descreve o comportamento dos
portadores de carga na proximidade do nível de fermi. Além disso, uma inversão na massa,
obtida através de defeitos no substrato, pode confinar os portadores de carga na interface da
mudança do sinal. Estudamos um sistema em que essa inversão se dá ao longo de uma linha
circular, portanto formando um confinamento anelar. A dispersão eletrônica foi calcula como
função do raio da linha circular e da intensidade do termo de massa induzido tanto analiticamente,
utilizando o modelo contínuo, quanto numericamente, utilizando o modelo tight-binding. Nossos
resultados mostraram uma boa concordância entre os dois modelos. Além disso os níveis de
energia mostraram um comportamento fracamente dependente da intensidade do termo de
massa induzidos. Os estados confinados nesse sistema são robusto em relação a desordens no
sentido que, nenhuma desordem não magnética pode quebrar a degenerescência de vale e os
estados não podem ser retroespalhados, semelhantes a estados topológicos. A influência de um
campo magnético nesse sistema também foi estudada e, além das oscilações de Aharonov-Bohm,
foi observado que controlando o campo magnético pode-se controlar o vale que os estados
pertencem.
Submetendo uma bicamada de grafeno a uma diferença de potencial(ddp) heterogênea pode-se
confinar o movimento dos portadores de carga, porém, além de um confinamento convencional,
há a possibilidade de um confinamento topológico, no qual a ddp aplicada sobre a bicamada
inverte de sinal na região do confinamento. Analogamente ao anel na monocamada, propomos
um sistema em que essa inversão se dá ao longo de uma linha circular, portanto formando
um confinamento anelar em bicamada de grafeno. A dispersão eletrônica foi calcula analiticamente
como função do raio da linha circular, da amplitude da ddp e da intensidade de um
campo magnético externo utilizando o modelo contínuo. Os estados nesse sistema, semelhantes
ao sistema na monocamada, também apresentaram robustez a desordens não magnéticas e a
retroespalhamentos.
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Transporte eletrônico em anéis quânticos de grafeno / Electronic transport in graphene quantum ringsSousa, Duarte José Pereira de January 2015 (has links)
SOUSA, Duarte José Pereira de. Transporte eletrônico em anéis quânticos de grafeno. 2015. 83 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2016-01-05T19:55:02Z
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Previous issue date: 2015 / In this work, we propose a current switch device that exploits the phase acquired by a charge carrier as it tunnels through a potential barrier in graphene in the ballistic regime without the need of the presence of a gap in the spectrum. The system acts as an interferometer based on an armchair graphene quantum ring, where the phase difference between interfering electronic wave functions for each path can be controlled by tuning the height of a potential barrier in the ring arms. By varying the parameters of the potential barriers the interference can become completely destructive. We demonstrate how this interference effect can be used for developing a simple graphene-based logic gate. / Neste trabalho, é proposto um dispositivo de controle de corrente que explora a fase adquirida por um portador de carga quando este tunela através de uma barreira de potencial no grafeno no regime balístico sem a necessidade da presença de um gap no espectro de energias. O sistema atua como um interferômetro baseado em um anel quântico de grafeno com bordas armchair, onde a diferença de fase entre as funções de onda para elétrons que tomam diferentes caminhos pode ser controlada através da intensidade das barreiras de potencial nos braços do anel. Variando os parâmetros das barreiras a interferência pode tornar-se completamente destrutiva. É demonstrado como esse efeito de interferência pode ser utilizado para o desenvolvimento de portas lógicas simples baseadas em grafeno.
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Efeitos não-inerciais em Anéis QuânticosDantas, Lincoanderson Oliveira 26 March 2015 (has links)
Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-03-18T13:56:29Z
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Previous issue date: 2015-03-26 / In this thesis, we investigate by the first time the impact of non-inertial effects associated
with the rotation of the reference system on charged and neutral particles confined by a
quantum ring, which is described by the potential of Tan-Inkson. The contribution of the
rotation is introduced by its coupling with angular momentum of the system. We show
that the rotation is introduced via a non-minimum coupling to the kinetic part of the
Hamiltonian describing the quantum dynamics of systems studied here. Thus, we show that
non-inertial effects of the rotation induce on the quantum properties of the particles similar
effects generated by a magnetic field. We also investigated the contribution of a screw
dislocation on the physical properties of the particles. The topological defect contributes
as a torsion source, presenting a contribution similar to the Aharonov-Bohm flux. Besides
charged particles (electrons and holes), we also study the effects of rotation on neutral
particles in three different scenarios: a neutral particle with a permanent magnetic dipole
moment coupled by the Aharanov-Casher interaction; a neutral particle with a permanent
electric dipole moment coupled by the interaction proposed by He-McKellar-Wilkens and a
neutral particle with an electric dipole moment induced by the field configuration proposed
by Wei-Han-Wei. In all three cases it is shown the similarity between the neutral and
charged particles. We analyze the non-relativistic quantum dynamics of these particles by
solving the Schrödinger equation. In addition to the energy spectrum and wave functions,
we calculate the persistent current and the magnetization for the four systems studied
here, and we also analyzed, from the expression for the persistent current for quantum
rings, the limit case for quantum dots. / Neste trabalho, investigamos pela primeira vez na literatura o impacto de efeitos nãoinerciais
associados com a rotação do sistema de referência de partículas carregadas
e neutras confinadas por um anel quântico, descrito pelo potencial de Tan-Inkson. A
contribuição da rotação é introduzida através de seu acoplamento com o momento angular
do sistema. Mostramos que a rotação entra como uma espécie de acoplamento mínimo na
parte cinética do Hamiltoniano que descreve a dinâmica quântica dos sitemas em questão.
Com isso, mostramos que a rotação induz efeitos típicos de campos magnéticos sobre as
propriedades quânticas das partículas. Também investigamos os efeitos da contribuição de
uma deslocação tipo-hélice sobre as propriedades físicas das partículas. O defeito topológico
contribui como uma fonte de fluxo de torção, tendo um comportamento similar ao do fluxo
Aharonov-Bohm. Além de partículas carregadas (elétrons e buracos), estudamos os efeitos
da rotação sobre partículas neutras em três cenários diferentes: uma partícula neutra com
momento de dipolo magnético permanente acoplado pela interação proposta por Aharanov-
Casher; uma partícula neutra com momento de dipolo elétrico permanente acoplada pela
interação proposta por He-McKellar-Wilkens e uma partícula neutra como momento de
dipolo elétrico induzido pela interação proposta por Wei-Han-Wei. Em todos os três casos
mostramos que existe uma estreita analogia entre partículas neutras e carregadas. A
metodologia utilizada consiste em analizar a dinâmica quântica não-relativistica dessas
partículas via resolução da equação de Schrödinger. Além do espectro de energia e das
funções de onda, calculamos as correntes persistentes e a magnetização para os quatro
sistemas aqui estudados, e também analizamos, a partir da expressão para a corrente
persistes para anéis quânticos, o caso limte para pontos quânticos.
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Estrutura eletrônica de anéis quânticosOliveira Neto, Vivaldo Lopes 09 August 2011 (has links)
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Previous issue date: 2011-08-09 / Universidade Federal de Sao Carlos / The nanoscopic structures with ring topology, or quantum rings, have attracted the interest due to their unique rotational symmetry and the possibility of checking fundamental quantum phenomena. Among them, the study of Aharonov-Bohm interference effects appears with special emphasis. Analytical calculations of the electronic structure of quantum rings were performed for the electron confined in one-dimensional and threedimensional potentials. These calculations were complemented by the electronic structure simulation of the valence band using the k.p method, main objective this work. This theoretical contribution is a part of a collaboration with experimental groups of growth and spectroscopy which deal with problems related to the manipulation of electronic states and spin properties of quantum rings. The ground states of both electrons and holes in quantum dots (quasi-zero-dimensional systems) have zero angular momentum (in the absence of magnetic fields and low fields) and exhibit a diamagnetic response of the spin states in the presence of an external magnetic field. In non-magnetic quantum dots, the spin properties are mainly attributed to the electron spin and the heavy hole. On the other hand, it is assumed that the light holes have a minor role in the properties of the exciton ground state. Our results show that the interband coupling may lead to the angular momentum hybridization of the electronic states, even in the ground state and the the light hole may assume a relevant role. The adaptation and improvement of calculations of the electronic structure using the k.p methods were two of the main objectives of this work. The theoretical tools developed aim to contribute to the establishment of protocols for optimal use and application of such systems. / As estruturas nanoscópicas de topologia anelar, ou anéis quânticos, têm atraído o interesse devido a sua simetria rotacional única e à possibilidade de verificar fenômenos quânticos fundamentais. Dentre eles, o estudo de efeitos relacionados à interferência do tipo Aharonov-Bohm aparece com especial ênfase. Cálculos analíticos da estrutura eletrônica dos anéis quânticos foram realizados para os casos de um elétron confinado em um potencial unidimensional e tridimensional. Estes cálculos foram complementados com a simulação da estrutura eletrônica da banda de valência utilizando o método k.p, que é o objetivo principal do trabalho. Esta contribuição teórica forma parte de uma colaboração com grupos experimentais de crescimento e de espectroscopia onde são tratados problemas relacionados à manipulação de estados eletrônicos e de spin em sistemas quase-zero dimensionais de topologia anelar. O estado fundamental do elétron e do buraco em pontos quânticos (sistemas quase-zero-dimensionais) possui tipicamente momento angular zero (na ausência de campos magnéticos e para campos suficientemente baixos) e exibe uma resposta diamagnética dos estados desdobrados de spin uma vez que um campo magnético externo é aplicado. Nos pontos quânticos não magnéticos as propriedades de spin são fundamentalmente atribuídas aos elétrons e ao buraco pesado. Em contrapartida, se assume que os buracos leves possuem um papel menor nas propriedades do estado fundamental do éxciton. Nossos resultados mostram que o acoplamento entre bandas pode gerar estados com hibridização do momento angular, inclusive o estado fundamental e o papel do buraco leve acaba sendo relevante. A adaptação e melhoramento do cálculo da estrutura eletrônica utilizando métodos k.p foram dois dos objetivos fundamentais deste trabalho. As ferramentas teóricas desenvolvidas visam contribuir para o estabelecimento de protocolos para o uso e aplicação otimizada de tais sistemas.
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Anéis quânticos em superfícies não-orientáveisSouza, José Fernando Oliveira de 22 December 2011 (has links)
Made available in DSpace on 2015-05-14T12:13:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2011-12-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, we explore the link between geometry and physical properties in 2D quantum rings.
With focus on the non-orientable mesoscopic structures, we solve the quantum Möbius strip problem, a
quantum ring whose lockdown surface is a Möbius strip, and investigate how the physical properties of
those structures answer to the geometric variation of this particular configuration. More precisely, we
investigate how the adoption of boundary conditions associated to this specific geometric configuration,
in particular, can change the general properties of the 2D quantum rings. In addition, we still study
the generalized version of the problem, where the Möbius strip has a finite number n of torsions. / Neste trabalho, exploramos o elo entre geometria e propriedades físicas no caso de anéis quânticos
bidimensionais. Com o foco nas estruturas mesoscópicas não-orientáveis, resolvemos o problema da
faixa de Möbius quântica, um anel quântico cuja superfície de confinamento é uma faixa de Möbius, e
investigamos de que maneira as propriedades físicas de tais estruturas respondem à variação geométrica
característica dessa particular configuração de confinamento. Mais precisamente, investigamos o modo
pelo qual a adoção de condições de contorno associadas a essa configuração geométrica específica, em
particular, pode interferir nas propriedades gerais dos anéis quânticos bidimensionais. Além disso,
ainda estudamos a versão generalizada do problema, em que a faixa de Möbius apresenta um número
finito n de torções.
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Acoplamento entre estados de borda e suas assinaturas em anéis quânticos e nanofitas de grafeno / Coupling between edge states and their signatures in graphene quantum rings and graphene nanoribbonsBahamon Ardila, Dario Andres, 1976- 18 August 2018 (has links)
Orientadores: Peter Alexander Bleinroth Schulz, Ana Luiza Cardoso Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T12:03:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho analisamos os efeitos das bordas nas propriedades eletrônicas e de transporte em estruturas finitas de grafeno, como nanofitas, pontos quânticos e anéis quânticos de grafeno. Nós focamos essencialmente no acoplamento entre os estados localizados nas bordas externas e estados localizados nas bordas internas, tais como as bordas internas dos anéis, vacâncias ou defeitos estendidos gerados pelas fronteiras de grão. Os cálculos são abordados no formalismo tight-binding para a rede hexagonal do grafeno. Para calcular as propriedades de transporte utilizamos o formalismo de Landauer-Buttiker e as funções de Green da rede. Para anéis quânticos observamos que a evolução dos estados localizados nas bordas internas, em função do campo magnético é oposta à dos estados localizados nas bordas externas. Tanto para anéis quânticos quanto para nanofitas, quando a magnitude do campo magnético gera um comprimento magnético maior do que a metade da separação entre as bordas internas e externas, os estados se acoplam levando à criação de gaps no espectro de auto-energias e ressonâncias de Fano na condutância. Este cenário é enriquecido pelo fato do grafeno ter duas sub-redes (novo grau de liberdade), identi cando que uma mudança na sub-rede dos átomos mais externos ou mais internos dos braços vizinhos de um anel muda a distribuição de carga e que a sub-rede de uma vacância fortemente modifica a forma de linha da condutância em uma nanofita. O mapeamento da densidade local de estados, diferenciada por sub-rede, nos leva a propor uma possível imagem experimental da força de acoplamento, que caracteriza a forma de linha das ressonâncias Fano. Quando consideramos um defeito estendido na rede do grafeno (defeito linear como os recentemente observados experimentalmente) foi encontrado que ele age como uma borda interna, que adiciona um novo canal para elétrons de baixa energia, e que tem aplicações promissórias como um o metálico quântico. Todos os nossos resultados são robustos quando a desordem nas bordas é incluído / Abstract: This work is concerned with the effects of the edges in the electronic and transport properties of nite structures of graphene, such as quantum dots, quantum rings and graphene nanoribbons. We primarily focus on the coupling between states located at the outer edges and states located at the inner edges, as internal edges of rings, vacancies or extended defects generated by the grain boundaries. The calculations are addressed within the tight-binding formalism for the hexagonal lattice. To calculate the transport properties we use the Landauer-B uttiker formalism and the recursive lattice Green's functions. For quantum rings we observed that the evolution of the states located at the inner edges, as a function of magnetic eld is opposite to that of the states located on the outer edges. For quantum rings as well as graphene nanoribbons when the magnitude of the magnetic eld creates a magnetic length larger than a half of the separation between the inner and outer edges, the states are coupled creating gaps in the self-energy spectrum and Fano resonances in the conductance of the graphene nanoribbons. This scenario is enriched when the sublattice is added as a new degree of freedom, identifying that a change in sublattice of the most external or most internal atoms of neighboring arms of a ring changes the charge distribution and the sublattice of a vacancy strongly modify the lineshape of the conductance. Sublattice differentiated Local density of states mapping for different lineshapes leading us to propose a possible experimental imaging of the coupling strength, which characterizes the lineshape of the Fano resonances. When we considered the recently experimentally observed extended defect, we found that it acts as an internal edge, which adds a new channel for low energy electrons, and would have promissory applications as metallic wire. All of our results are robust when edge disorder is included / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências
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