Neste trabalho foram estudadas as fases topológicas não triviais presentes em sistemas formados pela deposição de átomos de grafeno. Encontramos que quando um átomo hibridiza fortemente com o grafeno, apresenta um momento magnético e um forte spin-órbirta é possível a formação de uma rede hexagonal de baricentros que efetivamente gera uma estrutura de bandas característica de um efeito hall quântico anômalo. Especificamente, determinamos que o Ru satisfaz estas características. Quando este metal é depositado em uma configuração triangular no grafeno ocorrem picos na densidade de estados localizados no centro geométrico (baricentro) dos triângulos formados pelos Ru. Estes picos estão distribuídos de forma hexagonal e efetivamente geram uma estrutura de bandas que nas proximidades do nível de Fermi apresenta uma configuração de spin característica do efeito Hall quântico anômalo. Adicionalmente, encontramos que o sistema composto pela absorção de Ba ou Sr no grafeno favorece a formação do efeito Hall quântico de spin. Neste sistema, o acoplamento spin-órbita (SOC) gera um gap mais de 1000 vezes maior ao período no grafeno prístino. Para o estudo destes sistemas, implementamos no código SIESTA a aproximação on-site do acoplamento spin-órbita via o formalismo dos pseudopotenciais relativísticos de norma conservada. Nossa implementação foi testada a partir do estudo de fenômenos já conhecidos: i) o strong spin-splitting gerado no grafeno pela adsorção de Au, ii) o efeito hall quântico de spin no poço quântico de HgTe/CdTe e, iii) a formação de estados topológicos na superfície do Bi2Se3 e as fases magnéticas deste material com átomos de Mn adsorvidos. / In this work, were studied the non-trivial topological phases present in systems formed by deposition of atoms in graphene. We found that when an atom hybridizes strongly with grapheme, has a magnetic moment and a strong spin-orbit it is possible the formation of a hexagonal network of barycentres that effectively generates a structure band characteristic of a quantum anomalous Hall effect. Specifically, we determined that Ru satisfies these characteristics. When this metal is deposited in a triangular configuration in grapheme, peaks occur in the density of localized states in the geometric center (centroid) of the triangles formed by Ru. These peaks are distributed in a hexagonal structure and effectively generates a band structure that near the Fermi level has a spin configuration characteristic of the spin quantum Hall effect anomalous. Additionally, we found that the system composed by the adsorption of Ba or Sr in grapheme, promotes the formation of spin quantum Hall effect. In this system, the spin-orbit coupling (SOC) generates a gap more than 1000 times grater that predicted in pristine praphene. To study these systems, wu implemented in the code SIESTA the on-site approach of the spin-orbit coupling throught the formalism of norm conserved relativistic pseudo potentials. Our implementation was tested from the study of phenomena already known: i) the strong spin-splitting generated in graphene by adsorption of Au, ii) the quantum spin Hall effect in quantum well of HgTe / CdTe and, iii) formation of topological states in the surface of Bi2Se3 and the magnetic of this material with Mn atoms adsorved.

Neste trabalho foram estudadas as fases topológicas não triviais presentes em sistemas formados pela deposição de átomos de grafeno. Encontramos que quando um átomo hibridiza fortemente com o grafeno, apresenta um momento magnético e um forte spin-órbirta é possível a formação de uma rede hexagonal de baricentros que efetivamente gera uma estrutura de bandas característica de um efeito hall quântico anômalo. Especificamente, determinamos que o Ru satisfaz estas características. Quando este metal é depositado em uma configuração triangular no grafeno ocorrem picos na densidade de estados localizados no centro geométrico (baricentro) dos triângulos formados pelos Ru. Estes picos estão distribuídos de forma hexagonal e efetivamente geram uma estrutura de bandas que nas proximidades do nível de Fermi apresenta uma configuração de spin característica do efeito Hall quântico anômalo. Adicionalmente, encontramos que o sistema composto pela absorção de Ba ou Sr no grafeno favorece a formação do efeito Hall quântico de spin. Neste sistema, o acoplamento spin-órbita (SOC) gera um gap mais de 1000 vezes maior ao período no grafeno prístino. Para o estudo destes sistemas, implementamos no código SIESTA a aproximação on-site do acoplamento spin-órbita via o formalismo dos pseudopotenciais relativísticos de norma conservada. Nossa implementação foi testada a partir do estudo de fenômenos já conhecidos: i) o strong spin-splitting gerado no grafeno pela adsorção de Au, ii) o efeito hall quântico de spin no poço quântico de HgTe/CdTe e, iii) a formação de estados topológicos na superfície do Bi2Se3 e as fases magnéticas deste material com átomos de Mn adsorvidos. / In this work, were studied the non-trivial topological phases present in systems formed by deposition of atoms in graphene. We found that when an atom hybridizes strongly with grapheme, has a magnetic moment and a strong spin-orbit it is possible the formation of a hexagonal network of barycentres that effectively generates a structure band characteristic of a quantum anomalous Hall effect. Specifically, we determined that Ru satisfies these characteristics. When this metal is deposited in a triangular configuration in grapheme, peaks occur in the density of localized states in the geometric center (centroid) of the triangles formed by Ru. These peaks are distributed in a hexagonal structure and effectively generates a band structure that near the Fermi level has a spin configuration characteristic of the spin quantum Hall effect anomalous. Additionally, we found that the system composed by the adsorption of Ba or Sr in grapheme, promotes the formation of spin quantum Hall effect. In this system, the spin-orbit coupling (SOC) generates a gap more than 1000 times grater that predicted in pristine praphene. To study these systems, wu implemented in the code SIESTA the on-site approach of the spin-orbit coupling throught the formalism of norm conserved relativistic pseudo potentials. Our implementation was tested from the study of phenomena already known: i) the strong spin-splitting generated in graphene by adsorption of Au, ii) the quantum spin Hall effect in quantum well of HgTe / CdTe and, iii) formation of topological states in the surface of Bi2Se3 and the magnetic of this material with Mn atoms adsorved.

Este trabalho apresenta as propriedades de transporte eletrônico de isolantes topológicos bidimensionais (TI) baseados em poços quânticos de HgTe/CdTe. Estas heteroestruturas, no regime de bandas invertido, contem um novo estado conhecido como isolante de spin Hall quântico (QSHI). Este estado apresenta um comportamento de isolante no corpo (bulk), mas exibe estados condutores sem lacunas nas bordas (edges), as quais podem ser verificadas em medidas de transporte. Medidas de resistência de quatro terminais foram observadas perto do valor quantizado em amostras mesoscópicas. No entanto, para amostras com mais de um m, a resistência pode ser muito maiores que h/2e2 devido à presença de defasagem de spin, não homogeneidade ou desordem na amostra. Esta tese aborda o problema da resistência não quantizado observada em amostras macroscópicas de dimensões maiores a algum mícron. Nós relatamos observação e investigação sistemática de transporte local e não local em poços quânticos de HgTe (8.0-8.3 nm) com estrutura de banda invertida correspondente à fase de isolante de spin Hall quântico. O dispositivo MCT1 consiste de três segmentos consecutivos de largura 4 m e de comprimentos diferentes (2 m, 8 m, 32 m), e sete sondas de tensão. O dispositivo MCT2 foi fabricado com um comprimento litográfico de 6 m e largura 5 m. Ambos dispositivos estão equipados com uma porta superior (top gate), que permite ajustar a densidade de portadores do dispositivo. A aplicação de uma tensão de porta muda a densidade de portadores, transformando a condutividade do poço quântico de tipo n para tipo p através de uma fase intermediária chamada de ponto a neutralidade de carga (CNP). Picos acentuados não universais (R >> h/2e2) em ambas as resistividades, local e não local, foram observados próximos ao CNP os quais diminuem rapidamente a medida que se afasta do CNP. Tal comportamento próximo ao CNP pode ser explicado usando o modelo de transporte de bordas (edge) e corpo (bulk), que inclui tanto os estados de borda como o corpo para a contribuição à corrente. O desvio dos valores da resistência de quarto terminais do valor quantizado (R >> h/2e2) em amostras macroscópicas com dimensões acima de algum mícron é um dos principais problemas no campo dos isolantes topológicos. Recentemente foi proposto um modelo por Vayrynen et al., onde tem sido considerado a influência de poças de carga, resultantes de distribuições de carga não homogêneas em isolantes topológicos 2d, na condutância de estados de borda helicoidal. Os estados de borda são acoplados por tunelamento a essas poças metálicas ou pontos quânticos. A permanência dos elétrons em pontos quânticos pode levar a um retroespalhamento inelástico significativo dentro da borda e modifica o transporte balístico. Portanto transporte balístico coerente é esperado somente na região entre poças, e o total de resistência de quatro terminais excede o valor quantizado. Introduzindo as interações elétron-elétron em sistemas de uma dimensão resulta em um liquido de Luttinger (LL). Os estados de borda helicoidais em isolantes topológicos 2d, podem ser tratados como um líquido de Luttinger ideal, uma vez que, naturalmente, aparecem em poços quânticos de HgTe. Entre as várias assinaturas específicas do comportamento do LL, como a dependência da temperatura, é importante se concentrar nas propriedades de não equilíbrio do LL. Em contraste com os líquidos de Fermi convencionais, nenhum estado excitado decairá ao estado de equilíbrio, caracterizado pela temperatura, na ausência de desordem. Medidas de elétron-aquecimento podem ser usadas para entender a física que governa os processos de relaxamento em LL. Nós temos realizado medidas de transporte não linear no CNP em isolantes topológicos 2d de HgTe. Este método, juntamente com a dependência da resistência com a temperatura, pode ser utilizado para determinar o mecanismo de relaxação da energia dos estados de borda helicoidais em QSHI. Nosso experimento falhou em confirmar as assinaturas especificas do comportamento do líquido de Luttinger. No entanto, o efeito de aquecimento de elétron pode ser descrito pelo mecanismo convencional de relaxamento de energia, esperado para espalhamento elétron-fônon. / This thesis present electronic transport properties of two-dimensional topological insulators (TI) based on HgTe/CdTe quantum wells. These heterostructures, in the band inverted regime, hosts a novel state known as the quantum spin Hall insulator. This state is identified as insulator in the bulk, but exhibits gapless conducting states at their edges which can be verified in transport experiments. Four-terminal resistance close to the quantized value has been observed in mesoscopic samples. However, for samples longer than 1 m, the resistance might be much higher than h/2e2 due to the presence of spin dephasing, inhomogeneity or disorder in the sample. This thesis address the problem of non-quantized resistance observed in macroscopic samples of dimensions longer than few microns. We report on the observation and a systematic investigation of local and nonlocal transport in HgTe quantum wells (8.0-8.3 nm) with inverted band structure corresponding to the quantum spin Hall insulating (QSHI) phase. The device MCT1 consists of three 4 m wide consecutive segments of different length (2 m, 8 m, 32 m), and seven voltage probes. The device MCT2 was fabricated with a lithographic length 6 m and width 5 m. Both devices are equipped with a top gate which allows tuning the carrier density of the device. Applying gate bias changes the carrier density transforming the quantum well conductivity from n-type to p-type via an intermediate phase, called the charge neutrality point (CNP). Non-universal (R >> h/2e2) peaks in both local and nonlocal resistivity were observed near the CNP which decreases rapidly going away from CNP. Such a behavior near CNP can be explained using the edge plus bulk transport model, which includes both the edge states and bulk contribution to the total current. Deviation of the four-terminal resistance from quantization (R >> h/2e2) in macroscopic samples, with dimensions above a few microns, is one of the major issue in the field of topological insulators. Recently a model was proposed by Vayrynen et al., where influence of charge puddles, resulting from inhomogeneous charge distribution in 2d topological insulators, on its helical edge conductance has been considered. The edge states are tunnel coupled to these metallic puddles or quantum dots. Electron´s dwelling in the quantum dot may lead to significant inelastic backscattering within the edge and modifies the ballistic transport. Therefore ballistic coherent transport is expected only in the region between the puddles, and the total four-terminal resistance exceeds the quantized value. Introducing electron-electron interactions in one-dimensional systems results in a Luttinger liquid (LL). The helical edge states in 2d topological insulator, can be treated as ideal Luttinger liquid, since it naturally appears in HgTe quantum wells. Among the various specific signatures of the LL behavior, such as temperature dependence, it is important to focus on non-equilibrium properties of LL. In contrast to conventional Fermi liquids, none of the excited state will decay to equilibrium state, characterized by temperature, in the absence of disorder. Electron-heating measurements can be used to understand the physics governing relaxation processes in LL. We have performed non-linear transport measurements at the CNP in HgTe based 2d topological insulators. This method together with temperature dependence of resistance can be used to determine the energy relaxation mechanism of the helical edge modes in QSHI. Our experiments fail to confirm the specific signatures of Luttinger liquid behavior. However, electron heating effect can be described by conventional energy relaxation mechanism, expected for electron-phonon interactions.

Este trabalho apresenta as propriedades de transporte eletrônico de isolantes topológicos bidimensionais (TI) baseados em poços quânticos de HgTe/CdTe. Estas heteroestruturas, no regime de bandas invertido, contem um novo estado conhecido como isolante de spin Hall quântico (QSHI). Este estado apresenta um comportamento de isolante no corpo (bulk), mas exibe estados condutores sem lacunas nas bordas (edges), as quais podem ser verificadas em medidas de transporte. Medidas de resistência de quatro terminais foram observadas perto do valor quantizado em amostras mesoscópicas. No entanto, para amostras com mais de um m, a resistência pode ser muito maiores que h/2e2 devido à presença de defasagem de spin, não homogeneidade ou desordem na amostra. Esta tese aborda o problema da resistência não quantizado observada em amostras macroscópicas de dimensões maiores a algum mícron. Nós relatamos observação e investigação sistemática de transporte local e não local em poços quânticos de HgTe (8.0-8.3 nm) com estrutura de banda invertida correspondente à fase de isolante de spin Hall quântico. O dispositivo MCT1 consiste de três segmentos consecutivos de largura 4 m e de comprimentos diferentes (2 m, 8 m, 32 m), e sete sondas de tensão. O dispositivo MCT2 foi fabricado com um comprimento litográfico de 6 m e largura 5 m. Ambos dispositivos estão equipados com uma porta superior (top gate), que permite ajustar a densidade de portadores do dispositivo. A aplicação de uma tensão de porta muda a densidade de portadores, transformando a condutividade do poço quântico de tipo n para tipo p através de uma fase intermediária chamada de ponto a neutralidade de carga (CNP). Picos acentuados não universais (R >> h/2e2) em ambas as resistividades, local e não local, foram observados próximos ao CNP os quais diminuem rapidamente a medida que se afasta do CNP. Tal comportamento próximo ao CNP pode ser explicado usando o modelo de transporte de bordas (edge) e corpo (bulk), que inclui tanto os estados de borda como o corpo para a contribuição à corrente. O desvio dos valores da resistência de quarto terminais do valor quantizado (R >> h/2e2) em amostras macroscópicas com dimensões acima de algum mícron é um dos principais problemas no campo dos isolantes topológicos. Recentemente foi proposto um modelo por Vayrynen et al., onde tem sido considerado a influência de poças de carga, resultantes de distribuições de carga não homogêneas em isolantes topológicos 2d, na condutância de estados de borda helicoidal. Os estados de borda são acoplados por tunelamento a essas poças metálicas ou pontos quânticos. A permanência dos elétrons em pontos quânticos pode levar a um retroespalhamento inelástico significativo dentro da borda e modifica o transporte balístico. Portanto transporte balístico coerente é esperado somente na região entre poças, e o total de resistência de quatro terminais excede o valor quantizado. Introduzindo as interações elétron-elétron em sistemas de uma dimensão resulta em um liquido de Luttinger (LL). Os estados de borda helicoidais em isolantes topológicos 2d, podem ser tratados como um líquido de Luttinger ideal, uma vez que, naturalmente, aparecem em poços quânticos de HgTe. Entre as várias assinaturas específicas do comportamento do LL, como a dependência da temperatura, é importante se concentrar nas propriedades de não equilíbrio do LL. Em contraste com os líquidos de Fermi convencionais, nenhum estado excitado decairá ao estado de equilíbrio, caracterizado pela temperatura, na ausência de desordem. Medidas de elétron-aquecimento podem ser usadas para entender a física que governa os processos de relaxamento em LL. Nós temos realizado medidas de transporte não linear no CNP em isolantes topológicos 2d de HgTe. Este método, juntamente com a dependência da resistência com a temperatura, pode ser utilizado para determinar o mecanismo de relaxação da energia dos estados de borda helicoidais em QSHI. Nosso experimento falhou em confirmar as assinaturas especificas do comportamento do líquido de Luttinger. No entanto, o efeito de aquecimento de elétron pode ser descrito pelo mecanismo convencional de relaxamento de energia, esperado para espalhamento elétron-fônon. / This thesis present electronic transport properties of two-dimensional topological insulators (TI) based on HgTe/CdTe quantum wells. These heterostructures, in the band inverted regime, hosts a novel state known as the quantum spin Hall insulator. This state is identified as insulator in the bulk, but exhibits gapless conducting states at their edges which can be verified in transport experiments. Four-terminal resistance close to the quantized value has been observed in mesoscopic samples. However, for samples longer than 1 m, the resistance might be much higher than h/2e2 due to the presence of spin dephasing, inhomogeneity or disorder in the sample. This thesis address the problem of non-quantized resistance observed in macroscopic samples of dimensions longer than few microns. We report on the observation and a systematic investigation of local and nonlocal transport in HgTe quantum wells (8.0-8.3 nm) with inverted band structure corresponding to the quantum spin Hall insulating (QSHI) phase. The device MCT1 consists of three 4 m wide consecutive segments of different length (2 m, 8 m, 32 m), and seven voltage probes. The device MCT2 was fabricated with a lithographic length 6 m and width 5 m. Both devices are equipped with a top gate which allows tuning the carrier density of the device. Applying gate bias changes the carrier density transforming the quantum well conductivity from n-type to p-type via an intermediate phase, called the charge neutrality point (CNP). Non-universal (R >> h/2e2) peaks in both local and nonlocal resistivity were observed near the CNP which decreases rapidly going away from CNP. Such a behavior near CNP can be explained using the edge plus bulk transport model, which includes both the edge states and bulk contribution to the total current. Deviation of the four-terminal resistance from quantization (R >> h/2e2) in macroscopic samples, with dimensions above a few microns, is one of the major issue in the field of topological insulators. Recently a model was proposed by Vayrynen et al., where influence of charge puddles, resulting from inhomogeneous charge distribution in 2d topological insulators, on its helical edge conductance has been considered. The edge states are tunnel coupled to these metallic puddles or quantum dots. Electron´s dwelling in the quantum dot may lead to significant inelastic backscattering within the edge and modifies the ballistic transport. Therefore ballistic coherent transport is expected only in the region between the puddles, and the total four-terminal resistance exceeds the quantized value. Introducing electron-electron interactions in one-dimensional systems results in a Luttinger liquid (LL). The helical edge states in 2d topological insulator, can be treated as ideal Luttinger liquid, since it naturally appears in HgTe quantum wells. Among the various specific signatures of the LL behavior, such as temperature dependence, it is important to focus on non-equilibrium properties of LL. In contrast to conventional Fermi liquids, none of the excited state will decay to equilibrium state, characterized by temperature, in the absence of disorder. Electron-heating measurements can be used to understand the physics governing relaxation processes in LL. We have performed non-linear transport measurements at the CNP in HgTe based 2d topological insulators. This method together with temperature dependence of resistance can be used to determine the energy relaxation mechanism of the helical edge modes in QSHI. Our experiments fail to confirm the specific signatures of Luttinger liquid behavior. However, electron heating effect can be described by conventional energy relaxation mechanism, expected for electron-phonon interactions.