Apresentamos neste trabalho algumas propriedades do transporte de cargas de heteroestruturas contendo pontos-quânticos. Três tópicos foram explorados: no primeiro, observamos um comportamento anômalo nos platôs do efeito Hall quântico, que atribuímos à existência de estados de borda contra-rotativos; no segundo, determinamos o tempo de decoerência do sistema bidimensional de elétrons em função do estágio evolutivo de pontos-quânticos de InAs autoformados nas suas proximidades. Concluímos que a tensão mecânica acumulada durante o crescimento epitaxial \"congela\" os elétrons, reduzindo a taxa de decoerência; finalmente, testamos algumas das possíveis configurações de heteroestruturas visando a construção de fotodetectores baseados em pontos-quânticos. Observamos que a repetição da região-ativa pode ser utilizada como um parâmetro no controle das mobilidades quânticas e, por conseguinte, das propriedades de operação desses detectores. / In this work we present transport properties of heterostructures with quantum-dots. Three subjects were exploited: on the first one, we observed anomalous quantum Hall plateaus, for wich we attributed to the existence of counter-rotating edge-states; on the second subject, we determined the decoherence time of the bidimensional electron system as a function of the evolutionary stage of nearby self-assembled quantum-dots. We concluded the mechanical stress accumulated during the epitaxial growth \"freezes\" the electrons, reducing the decoherence rate; finally, we tested some base-heterostructures of infrared photodetectors. We observed the stacking of active-regions can be used as a parameter to control quantum-mobilities and, as a consequence, the operation properties of such detectors.

Apresentamos neste trabalho algumas propriedades do transporte de cargas de heteroestruturas contendo pontos-quânticos. Três tópicos foram explorados: no primeiro, observamos um comportamento anômalo nos platôs do efeito Hall quântico, que atribuímos à existência de estados de borda contra-rotativos; no segundo, determinamos o tempo de decoerência do sistema bidimensional de elétrons em função do estágio evolutivo de pontos-quânticos de InAs autoformados nas suas proximidades. Concluímos que a tensão mecânica acumulada durante o crescimento epitaxial \"congela\" os elétrons, reduzindo a taxa de decoerência; finalmente, testamos algumas das possíveis configurações de heteroestruturas visando a construção de fotodetectores baseados em pontos-quânticos. Observamos que a repetição da região-ativa pode ser utilizada como um parâmetro no controle das mobilidades quânticas e, por conseguinte, das propriedades de operação desses detectores. / In this work we present transport properties of heterostructures with quantum-dots. Three subjects were exploited: on the first one, we observed anomalous quantum Hall plateaus, for wich we attributed to the existence of counter-rotating edge-states; on the second subject, we determined the decoherence time of the bidimensional electron system as a function of the evolutionary stage of nearby self-assembled quantum-dots. We concluded the mechanical stress accumulated during the epitaxial growth \"freezes\" the electrons, reducing the decoherence rate; finally, we tested some base-heterostructures of infrared photodetectors. We observed the stacking of active-regions can be used as a parameter to control quantum-mobilities and, as a consequence, the operation properties of such detectors.

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 BahamonArdila_DarioAndres_D.pdf: 15568018 bytes, checksum: 6b550b7e0291945e86b0152735b9ea2c (MD5) 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

Orientadores: Ana Luiza Cardoso Pereira, Luiz Eduardo Moreira Carvalho de Oliveira / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-28T09:45:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SolisLerma_DanielAlejandro_M.pdf: 11339360 bytes, checksum: 0efee568f2b70411f8fcb14075392b26 (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho foram estudados os efeitos de bordas com terminações perfeitamente definidas de uma rede de grafeno no regime Hall quântico sobre as propriedades eletrônicas deste sistema. O problema foi abordado com uso da aproximação tight-binding incluindo os efeitos do campo magnético e desordem no modelo. Estudou-se primeiramente o efeito das bordas nos níveis de energia do sistema, em espectros tipo borboleta de Hofstadter. Então o foco foi analisar as propriedades de localização eletrônica dos estados de borda, e as particularidades da distribuição das funções de onda nestes casos. Para investigar os estados de borda e determinar, para cada um dos estados eletrônicos, o quanto da função de onda encontra-se localizada nas bordas, foi criada uma quantidade nomeada Edge Fraction, denida como a somatória das amplitudes da função de onda na região das bordas, que numa aproximação semiclássica foi aqui considerada como a região delimitada por uma distância 2'B das bordas, onde 'B é o comprimento magnético. Com o uso do Edge Fraction, analisando-se as contribuições armchair e zigzag separadamente, em redes de grafeno quadradas, encontrou-se que há regiões de energia onde as funções de onda claramente cam mais localizadas num determinado tipo de borda. Este comportamento presume-se que é produto da competição que existe entre os potenciais devidos à presença de bordas e desordem no sistema, que evidenciam-se também no espectro de energia tipo borboleta de Hofstadter. Os resultados obtidos contribuem para o entendimento das propriedades de localização em redes de grafeno com bordas / Abstract: In this work the effects of sharp edges in the electronic properties of graphene lattices in the quantum Hall regime were studied. The problem was addressed using the tight-binding approximation including the effects of the magnetic eld and disorder in the model. It was studied at rst the effect of the edges in the energy levels of the system, through Hofstadter's buttery-like spectrum. Then we focused on analysing the localization properties of edge states and the particularities of the wave function distributions for these cases. To investigate the edge states and to determine, for each electronic state, how much of the wave function is localized at the edges, it was created a quantity called Edge Fraction. This quantity was dened as the probability density sum in the edge region, which in a semi-classical approximation, was considered here as the region limited by a distance 2'B from the edges, where 'B is the magnetic length. Using the Edge Fraction and analysing the contributions of armchair and zigzag edges separately, in squared lattices, it was found that there are energy regions where the wave functions are clearly more localized in a specic edge type. This behaviour is believed to be a result of the competition between the potential due to the presence of the edge and the potential due to the disorder in the system, which are also present in the Hofstadter energy spectrum. The results obtained contribute to the understanding of the localization properties of graphene lattices with edges / Mestrado / Física / Mestre em Física / 1247644 / CAPES

In this thesis, we investigate the electronic structure and transport properties of topologically trivial and non-trivial cylindrical quantum dots (QDs) defined by further confining InAs1-xBix/AlSb quantum wells (QWs). First we predict that common III-V InAs0.85Bi0.15/AlSb QWs can become 2D topological insulators (TIs) for well thicknesses dc > 6.9 nm with a topologically non-trivial gap of about 30 meV (> kBT), which can enable room temperature TI applications. Furthermore, we investigate the cylindrical QDs defined from these Bi-based wells by additional confinement, both in the topologically trivial (d < dc) and non-trivial (d > dc) regimes. Surprisingly, we find that topologically trivial and non-trivial QDs have similar transport properties in stark contrast with their 2D counterparts (i.e., a strip). More specifically, through detailed calculations, which involve an analytical solution of the quantum-dot eigenvalue problem, we demonstrate that both trivial and non-trivial cylindrical QDs possess edge-like states, i.e., helical spin-angular-momentum-locked quantum states protected against non-magnetic elastic scattering. Interestingly, our trivial QDs exhibit these geometrically robust helical states, similarly to topologically non-trivial QDs, over a wide range of system parameters (e.g., dot radius). We also calculate the circulating currents for the topologically trivial and non-trivial QDs and find no substantial differences. However, we note that ordinary III-V or II-VI cylindrical QDs (i.e., QDs not formed from a BHZ model + confinement) do not feature robust edge-like helical states. We further consider topologically trivial and non-trivial QDs with four edge-like states and calculate their two-terminal conductance G via a standard Green-function approach. For both trivial and non-trivial QDs we find that G shows a double-peak resonance at 2e2/h as a function of the dot radius R and gate voltage Vg controlling the dot energy levels. On the other hand, both trivial and non-trivial QDs can have edge-like and bulk state Kramers pairs coexisting at the same energy within the bulk part of their discrete spectra. In this case, G displays a single-peak resonance at 2e2/h as the four levels (two edge states and two bulk states now) become degenerate at some particular parameter values R = Rc and Vg = Vgc for both topologically trivial and non-trivial QDs. We also extend our investigation to HgTe-based QDs and find similar results. / Nesta tese investigamos a estrutura eletrônica e as propriedades de transporte de pontos quânticos cilíndricos topologicamente triviais e não-triviais, definidos por confinamento de poços quânticos (QWs) InAs1-xBix/AlSb. Primeiramente, nós prevemos que os QWs usuais baseados em InAs1-xBix/AlSb podem se tornar isolantes topológicos 2D para largura de poço dc > 6.9 nm, com um gap topologicamente não-trivial de aproximadamente 30 meV (> kBT), o que pode permitir aplicações em temperatura ambiente. Além disso, investigamos pontos quânticos cilíndricos definidos a partir de confinamento desses poços contendo Bi, em ambos os regimes trivial (d < dc) e não-trivial (d > dc). Surpreendentemente, descobrimos que os pontos quânticos topologicamente triviais e não triviais têm propriedades de transporte semelhantes, um resultado em grande contraste com as suas versões semiinfinitas, como por exemplo uma fita. Mais especificamente, através de cálculos detalhados, que envolvem uma solução analítica do problema de autovalores dos pontos quânticos, demonstramos que pontos quânticos cilíndricos triviais e não-triviais possuem estados de borda semelhantes, isto é, estados quânticos helicoidais protegidos contra espalhamento elástico não magnético. Curiosamente, nossos pontos quânticos triviais exibem estados helicoidais geometricamente robustos, similarmente aos pontos quânticos topologicamente não-triviais, em uma ampla faixa de parâmetros do sistema, como por exemplo, o raio do ponto quântico. Nós também calculamos as correntes circulantes para os pontos quânticos topologicamente triviais e não-triviais e não encontramos diferenças substanciais entre elas. No entanto, notamos que os pontos quânticos cilíndricos feitos de materiais ordinários III-V ou II-VI (isto é, pontos quânticos não descritos pelo Hamiltoniano BHZ com confinamento) não apresentam estados helicoidais robustos. Consideramos ainda pontos quânticos triviais e não-triviais com quatro estados de borda e calculamos sua condutância entre dois terminais G através de uma abordagem padrão das funções de Green. Para os pontos quânticos triviais e não-triviais, encontramos que G mostra uma ressonância de pico duplo em 2e2/h como função do raio do ponto quantico R e da tensão Vg que controla os níveis de energia do ponto quântico. Por outro lado, tanto os pontos quânticos triviais como os não-triviais podem ter pares de Kramers localizados na borda (edge) e em todo seu volume (bulk) coexistindo em uma mesma janela de energia na região dos estados de valência. Nesse caso, G exibe uma ressonância de pico único em 2e2/h, já que os quatro níveis (dois estados de borda e dois estados de volume bulk) se tornam degenerados para alguns valores de parâmetros particulares R = Rc and Vg = Vgc, em pontos quânticos topologicamente triviais e não triviais. Nós também estendemos nossa investigação para os pontos quanticos de HgTe onde encontramos resultados similares.

In this thesis, we investigate the electronic structure and transport properties of topologically trivial and non-trivial cylindrical quantum dots (QDs) defined by further confining InAs1-xBix/AlSb quantum wells (QWs). First we predict that common III-V InAs0.85Bi0.15/AlSb QWs can become 2D topological insulators (TIs) for well thicknesses dc > 6.9 nm with a topologically non-trivial gap of about 30 meV (> kBT), which can enable room temperature TI applications. Furthermore, we investigate the cylindrical QDs defined from these Bi-based wells by additional confinement, both in the topologically trivial (d < dc) and non-trivial (d > dc) regimes. Surprisingly, we find that topologically trivial and non-trivial QDs have similar transport properties in stark contrast with their 2D counterparts (i.e., a strip). More specifically, through detailed calculations, which involve an analytical solution of the quantum-dot eigenvalue problem, we demonstrate that both trivial and non-trivial cylindrical QDs possess edge-like states, i.e., helical spin-angular-momentum-locked quantum states protected against non-magnetic elastic scattering. Interestingly, our trivial QDs exhibit these geometrically robust helical states, similarly to topologically non-trivial QDs, over a wide range of system parameters (e.g., dot radius). We also calculate the circulating currents for the topologically trivial and non-trivial QDs and find no substantial differences. However, we note that ordinary III-V or II-VI cylindrical QDs (i.e., QDs not formed from a BHZ model + confinement) do not feature robust edge-like helical states. We further consider topologically trivial and non-trivial QDs with four edge-like states and calculate their two-terminal conductance G via a standard Green-function approach. For both trivial and non-trivial QDs we find that G shows a double-peak resonance at 2e2/h as a function of the dot radius R and gate voltage Vg controlling the dot energy levels. On the other hand, both trivial and non-trivial QDs can have edge-like and bulk state Kramers pairs coexisting at the same energy within the bulk part of their discrete spectra. In this case, G displays a single-peak resonance at 2e2/h as the four levels (two edge states and two bulk states now) become degenerate at some particular parameter values R = Rc and Vg = Vgc for both topologically trivial and non-trivial QDs. We also extend our investigation to HgTe-based QDs and find similar results. / Nesta tese investigamos a estrutura eletrônica e as propriedades de transporte de pontos quânticos cilíndricos topologicamente triviais e não-triviais, definidos por confinamento de poços quânticos (QWs) InAs1-xBix/AlSb. Primeiramente, nós prevemos que os QWs usuais baseados em InAs1-xBix/AlSb podem se tornar isolantes topológicos 2D para largura de poço dc > 6.9 nm, com um gap topologicamente não-trivial de aproximadamente 30 meV (> kBT), o que pode permitir aplicações em temperatura ambiente. Além disso, investigamos pontos quânticos cilíndricos definidos a partir de confinamento desses poços contendo Bi, em ambos os regimes trivial (d < dc) e não-trivial (d > dc). Surpreendentemente, descobrimos que os pontos quânticos topologicamente triviais e não triviais têm propriedades de transporte semelhantes, um resultado em grande contraste com as suas versões semiinfinitas, como por exemplo uma fita. Mais especificamente, através de cálculos detalhados, que envolvem uma solução analítica do problema de autovalores dos pontos quânticos, demonstramos que pontos quânticos cilíndricos triviais e não-triviais possuem estados de borda semelhantes, isto é, estados quânticos helicoidais protegidos contra espalhamento elástico não magnético. Curiosamente, nossos pontos quânticos triviais exibem estados helicoidais geometricamente robustos, similarmente aos pontos quânticos topologicamente não-triviais, em uma ampla faixa de parâmetros do sistema, como por exemplo, o raio do ponto quântico. Nós também calculamos as correntes circulantes para os pontos quânticos topologicamente triviais e não-triviais e não encontramos diferenças substanciais entre elas. No entanto, notamos que os pontos quânticos cilíndricos feitos de materiais ordinários III-V ou II-VI (isto é, pontos quânticos não descritos pelo Hamiltoniano BHZ com confinamento) não apresentam estados helicoidais robustos. Consideramos ainda pontos quânticos triviais e não-triviais com quatro estados de borda e calculamos sua condutância entre dois terminais G através de uma abordagem padrão das funções de Green. Para os pontos quânticos triviais e não-triviais, encontramos que G mostra uma ressonância de pico duplo em 2e2/h como função do raio do ponto quantico R e da tensão Vg que controla os níveis de energia do ponto quântico. Por outro lado, tanto os pontos quânticos triviais como os não-triviais podem ter pares de Kramers localizados na borda (edge) e em todo seu volume (bulk) coexistindo em uma mesma janela de energia na região dos estados de valência. Nesse caso, G exibe uma ressonância de pico único em 2e2/h, já que os quatro níveis (dois estados de borda e dois estados de volume bulk) se tornam degenerados para alguns valores de parâmetros particulares R = Rc and Vg = Vgc, em pontos quânticos topologicamente triviais e não triviais. Nós também estendemos nossa investigação para os pontos quanticos de HgTe onde encontramos resultados similares.

[pt] Nesta tese estudamos dois importantes sistemas de Isoladores Topológicos (TIs), onde nos concentramos particularmente no papel das interações e percolação nos estados de borda topológicos. Primeiro, analisamos o papel das interações vizinhas mais próximas em um protótipo de TI unidimensional, o modelo Su-Schrieffer-Heeger (SSH). Com base em um formalismo de função de Green, aplicamos a equação de Dyson em combinação com a aproximação da matriz-T para verificar a correspondência bulk-edge na presença de interações. Os expoentes críticos próximos às transições de fase topológicas são os mesmos do modelo SSH não interagente, indicando que o sistema permanece na mesma classe de universalidade, apesar da presença de interações. O segundo sistema é um TI bidimensional simétrico na inversão de tempo, ou seja, o modelo de Bernevig-Hughes-Zhang (BHZ) em conjunto com um metal ferromagnético com quebra de reversão do tempo (FMM), onde investigamos a percolação do estado Hall de spin quântico do modelo BHZ para o FMM por meio de um modelo de ligações fortes (tight-binding). Demonstramos que dependendo de se o estado de borda do cone de Dirac submerge nas sub-bandas do FMM e da direção da magnetização do FMM, a percolação do estado de borda e seu spin-momentum-locking são afetados de maneiras diferentes. Surpreendentemente, descobrimos que a corrente de spin de borda de equilíbrio no modelo BHZ, naturalmente esperada dos estados de borda de propagação do spin polarizado, está de fato ausente devido ao cancelamento das bandas de valência. No entanto, fluxos laminares de correntes de carga e spin persistente à temperatura ambiente são produzidos perto da interface da junção BHZ / FMM. Usando teoria de resposta linear, investigamos a polarização de spin induzida pela corrente causada pela percolação do estado de borda, que serve como um torque de rotação que é encontrado ser predominantemente field-like. Além disso, a polarização do spin é dramaticamente aumentada perto das impurezas na borda do modelo BHZ. / [en] In this thesis we studied two important Topological Insulators (TIs), where we focused particularly on the role of interactions and percolation on the topological edge states. First, we analyzed the role of nearest-neighbor interactions in a prototype one-dimensional TI, namely the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model. Based on a Green s function formalism, we applied Dyson s equation in combination with T-matrix approximation to verify the bulk-edge correspondence in the presence of interactions. The critical exponents near topological phase transitions are found to be the same as the noninteracting SSH model, indicating that the system stays in the same universality class despite the presence of interactions. The second system is a two-dimensional timereversal symmetric TI, namely the Bernevig-Hughes-Zhang (BHZ) model in conjunction with a time-reversal breaking ferromagnetic metal (FMM), where we investigated the percolation of the quantum spin Hall state from the TI layer to the FMM by means of a tight-binding model. We demonstrated that depending on whether the edge state Dirac cone submerges into the FMM subbands and the direction of the magnetization of the FMM, the percolation of the edge state and its spin-momentum locking are affected in different ways. Surprisingly, we uncover that the equilibrium edge spin current in the BHZ model, naturally expected from the spin polarized propagating edge states, is in fact absent due to the cancellation from the valence bands. Nevertheless, laminar flows of room temperature persistent charge and spin currents are produced near the interface of the BHZ/FMM junction. Using a linear response theory, we investigate the current-induced spin polarization caused by the percolation of the edge state, which serves as a spin torque that is found to be predominantly field-like. Moreover, the spin polarization is dramatically enhanced near the impurities at the edge of the BHZ model.