Orientadores: José Antonio Brum, Maria José Santos Pompeu Brasil / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica "Gleb Wataghin" / Made available in DSpace on 2018-09-25T12:25:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dacal_LuisCarlosOgando_D.pdf: 741881 bytes, checksum: ef1f4f4de5b4cb56dc940d21e94af4a7 (MD5) Previous issue date: 2001 / Resumo: Um sistema físico com presença de partículas indistinguíveis interagentes cria a rica possibilidade do estudo dos efeitos de correlação e troca, os quais são frutos desta indistinguibilidade. O complexo mais simples para a manifestação destes efeitos seria aquele onde apenas duas partículas indisntinguíveis estão presentes. Em física da matéria condensada, estes complexos são os éxcitons, os doadores e os aceitadores carregados. No caso específico de poços quânticos semicondutores, a não parabolicidade da banda de valência faz com que éxcitons e doadores negativamente carregados sejam os complexos com modelamento teórico mais simples. Apesar da previsão da estabilidade dos éxcitons carregados ("trions") ter sido feita no final da década de 50 para os materiais semicondutores tipo "bulk", sua primeira observação experimental só ocorre no início da década de 90 e em poços quânticos, onde o confinamento unidimensional das cargas aumenta a energia de ligação destes complexos em uma ordem de grandeza. Desde então iniciou-se uma intensa pesquisa a respeito da física destes complexos pois a blindagem das interações coulombianas nos materiais semicondutores permite que campos magnéticos usuais em laboratórios sejam capazes de provocar fortes alterações na energia de ligação dos "trions". Outra rica possibilidade de investigação é o fato dos éxcitons carregados aparecerem como um estado intermediário entre o éxciton neutro e a singularidade do nível de Fermi quando a concentração de elétrons dopantes na amostra é aumentada. Nesta tese apresentamos um estudo teórico dos éxcitons carregados e dos doadores negativamente carregados em poços quânticos de GaAs/Al0.3G a0.7As considerando os efeitos da presença de campos elétricos e magnéticos externos. Nossa contribuição acrescenta um método simples, preciso e fisicamente transparente para o modelamento teórico destes complexos em contraposição às poucas e complexas abordagens até agora apresentadas na literatura científica. Nossos resultados mostram que os defeitos de interface dos poços quânticos desempenham um papel fundamental na dinâmica dos "trions" contrariando as conclusões de alguns estudos experimentais, mas confirmando a visão de outros / Abstract: A physical system where indistinguishable particles interact with each other creates the possibility of studying correlation and exchange effects. The simplest system is that one with only two indistinguishable particles. In condensed matter physics, these complexes are represented by charged excitons, donors and acceptors. In quantum wells, the valence band is not parabolic, therefore, the negatively charged excitons and donors are theoretically described in a simpler way. Despite the fact that the stability of charged excitons (trions) is known since the late 50s, the first experimental observation occurred only at the early 90s in quantum well samples, where their binding energies are one order of magnitude larger due to the one dimensional carriers confinement. After this, these complexes became the subject of an intense research because the intrinsic screening of electrical interactions in semiconductor materials allows that magnetic fields that are usual in laboratories have strong effects on the trion binding energy. Another rich possibility is the study of trions as an intermediate state between the neutral exciton and the Fermi edge singularity when the excess of doping carriers is increased. In this thesis, we present a theoretical study of charged excitons and negatively charged donors in GaAs / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-28T12:40:48Z No. of bitstreams: 1 leandrodecastroguarieri.pdf: 1096642 bytes, checksum: e2c0ee03009dadfdf2e72f0f3138fdd6 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-07T21:08:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 leandrodecastroguarieri.pdf: 1096642 bytes, checksum: e2c0ee03009dadfdf2e72f0f3138fdd6 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-07T21:08:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 leandrodecastroguarieri.pdf: 1096642 bytes, checksum: e2c0ee03009dadfdf2e72f0f3138fdd6 (MD5) Previous issue date: 2007-08-15 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Neste trabalho apresentamos cálculos para o espalhamento Raman eletrônico via flutuação de densidade de carga para sistemas a base de GaN dopados. As estruturas estudadas foram a super-rede δ-dopada e os sistemas de GaN uniformemente dopados. No caso da super-rede periodicamente dopada, a estrutura eletrônica foi determinada utilizando-se a Teoria do Funcional Densidade na aproximação de densidade local. Para os sistemas uniformemente dopados, a natureza das excitações elementares Raman foi investigada teoricamente e experimentalmente, tais sistemas consistem de estruturas cúbicas de GaN uniformemente dopadas (tipo-n) crescidas sobre substratos de GaAs. / In this work we present calculations of eletronic Raman cross-sections of doped GaN based system via charge - density mechanism. The studied structures were δ-doped superlattices and uniform doped GaN systems. In the case of periodically doped superlattice the eletronic structure was obtained using Density Funcional Theory in the local density approximation. Concerning the uniform doped system, the nature of their Raman elementary excitations were investigated theoretically and experimentally. Such structures consisted of cubic GaN uniformly doped (type-n) grown on GaAs substrates.

A extensão dos fenômenos quânticos em escala macroscópica é responsável por toda uma classe de efeitos como a supercondutividade, superfluidez, e condensação de Bose-Einstein, as quais desempenham um papel central na física ao longo do século passado. A produção dos primeiros condensados de Bose-Einstein tornou possível a realização de experimentos envolvendo fenômenos quânticos macroscópicos com um nível sem precedentes de controle dos parâmetros externos. As correntes persistentes em condensados estão intimamente relacionados com a nucleação de vórtices quantificados, que são defeitos topológicos como resposta à transferência de quanta de momento angular. Um método convencional para geração de tais defeitos consiste em confinar a nuvem atômica condensada em uma armadilha com rotação. Acontece que, para velocidades angulares acima de um valor crítico, estados de vórtice se tornam energeticamente favoráveis, induzindo assim a criação de vórtices quânticos. Realizações experimentais de condensados de átomos de metais alcalinos confinados por potenciais dependentes do tempo permitiram a observação não só de redes de vórtices, mas também de turbulência quântica. Uma vez que a turbulência quântica é caracterizada pela presença de um emaranhado de vórtices quânticos interagindo entre si, uma correta compreensão da dinâmica, formação e estabilidade de vórtices tem se mostrado de grande importância sendo objeto de muitos trabalhos teóricos. Em particular, o papel das excitações acústicas geradas pelo decaimento de vórtices de multipla carga no desenvolvimento de turbulência ainda é uma questão em aberto. Este trabalho tem como objetivo fornecer um conjunto de ferramentas que ajude a identificar a presença, como também a carga de vórtices em nuvens (não turbulentas) observadas utilizando imagens de tempo-de-voo. Temos feito um estudo detalhado de condensados contendo vórtices carga múltipla colocados no seu centro, onde a dinâmica do tempo-de-voo é apenas de nossos pontos de interesse. Devido ao controle que este sistema fornece experimentalmente, os modos coletivos tornam-se uma descrição importante, uma vez que podem ser excitadas usando métodos experimentais bem estabelecido tal como a modulação do comprimento de espalhamento de ondas-s, e que também pode ser responsável pelo decaimento do vórtice. Para tais fins, temos utilizado o método variacional (semi-analítico), e o cálculo totalmente numérico da equação de Gross-Pitaevskii. Assim, descrevemos os modos coletivos que acoplam a dinâmica do vórtice com as oscilações das componentes externas do condensado, bem como os efeitos em tempo-de-voo. O momento angular atua aumentando a energia cinética em torno do núcleo de vórtice, que implica em um aumento mais rápido da direção perpendicular a este. Esta situação desloca as freqüências de oscilações coletivas de um estado livre de vórtice, e gera modos coletivos mais ricos devido ao acoplamento. Agora, existem quatro modos possíveis, sendo dois tipos de modo monopolar e dois tipos de modos de quadrupolo. A diferença dentre tais modos é a fase de oscilação do vórtice. Quando se considera flutuações sem simetria polar, seus modos coletivos resultam no decaimento do vórtice. A fim de controlar e prevenir estes processos propusemos três mecanismos dinâmicos, tais como a modulação de comprimento de espalhamento, a modulação das frequências da armadilha harmônica e modulação da amplitude do potencial de Laguerre-Gauss. O último tem provado ser mais eficaz. / The extension of quantum phenomena into macroscopic scales is responsible for a whole class of effects such as superconductivity, superfluidity, and Bose-Einstein condensation, which played central roles in physics throughout the last century. The production of the first Bose-Einstein condensates made possible the realization of experiments involving macroscopic quantum phenomena with an unprecedented level of control of the external parameters. The persistent currents in condensates are intimately related to the nucleation of quantized vortices, which are topological defects as response to transference of quanta of angular momentum. A conventional method for generation of such defects consists in confining the condensed atomic cloud into a rotating trap. It turns out that, for angular velocities higher than a critical value, vortex states become energetically favorable, thus inducing the creation of quantized vortices. Experimental realizations of condensed alkali-metal atoms confined by more general time-dependent potentials allowed the observation not only of vortex lattices but also of quantum turbulence. Since quantum turbulence is characterized by the presence of a self-interacting tangle of quantized vortices, the correct understanding of dynamics, formation, and stability of vortices has shown to be of paramount importance being the subject of many theoretical works. In particular, the role of acoustic excitations generated by decaying multi-charged vortices in the development of turbulence is still an open question. This work aims to provide a set of tools that helps to identify the presence as well as the charge of vortices in non-turbulent clouds observed using time-of-flight pictures. We have done a detailed study of condensates containing multi-charged vortices placed at its center where time-of-flight dynamics is only one point of our interest. Due to the control that this system provides experimentally, the collective modes become an important description since they can be excited using well stablished experimental methods as such as modulation of the s-wave scattering length, and they can also be responsible to vortex decaying. For such purposes we have used the semi-analytical variational method, and the fully numerical calculation of Gross-Pitaevskii equation. Thus we have describes the collective modes that couples dynamics of vortex with the oscillation of external components of condensed atomic cloud as well as the effects in time-of-flight. The angular momentum acts increasing the kinetic energy around the vortex core, which results in a faster expansion of perpendicular direction to it. This situation shifts the frequencies of collective oscillations of a vortex-free state, and generates richer collective modes due the coupling. Now there are four possible modes, being two types of monopole mode and two types of quadrupole modes. The difference among these types is the phase of vortex oscillation. When one considers fluctuations without polar symmetry, their collective modes result in the vortex decaying. In order to control and prevent these processes we have proposed three dynamical mechanisms such as modulation of s-wave scattering length, modulation of frequencies of harmonic trap, and modulation of the amplitude of Laguerre-Gauss potential. The last one has proven to be more effective.

A extensão dos fenômenos quânticos em escala macroscópica é responsável por toda uma classe de efeitos como a supercondutividade, superfluidez, e condensação de Bose-Einstein, as quais desempenham um papel central na física ao longo do século passado. A produção dos primeiros condensados de Bose-Einstein tornou possível a realização de experimentos envolvendo fenômenos quânticos macroscópicos com um nível sem precedentes de controle dos parâmetros externos. As correntes persistentes em condensados estão intimamente relacionados com a nucleação de vórtices quantificados, que são defeitos topológicos como resposta à transferência de quanta de momento angular. Um método convencional para geração de tais defeitos consiste em confinar a nuvem atômica condensada em uma armadilha com rotação. Acontece que, para velocidades angulares acima de um valor crítico, estados de vórtice se tornam energeticamente favoráveis, induzindo assim a criação de vórtices quânticos. Realizações experimentais de condensados de átomos de metais alcalinos confinados por potenciais dependentes do tempo permitiram a observação não só de redes de vórtices, mas também de turbulência quântica. Uma vez que a turbulência quântica é caracterizada pela presença de um emaranhado de vórtices quânticos interagindo entre si, uma correta compreensão da dinâmica, formação e estabilidade de vórtices tem se mostrado de grande importância sendo objeto de muitos trabalhos teóricos. Em particular, o papel das excitações acústicas geradas pelo decaimento de vórtices de multipla carga no desenvolvimento de turbulência ainda é uma questão em aberto. Este trabalho tem como objetivo fornecer um conjunto de ferramentas que ajude a identificar a presença, como também a carga de vórtices em nuvens (não turbulentas) observadas utilizando imagens de tempo-de-voo. Temos feito um estudo detalhado de condensados contendo vórtices carga múltipla colocados no seu centro, onde a dinâmica do tempo-de-voo é apenas de nossos pontos de interesse. Devido ao controle que este sistema fornece experimentalmente, os modos coletivos tornam-se uma descrição importante, uma vez que podem ser excitadas usando métodos experimentais bem estabelecido tal como a modulação do comprimento de espalhamento de ondas-s, e que também pode ser responsável pelo decaimento do vórtice. Para tais fins, temos utilizado o método variacional (semi-analítico), e o cálculo totalmente numérico da equação de Gross-Pitaevskii. Assim, descrevemos os modos coletivos que acoplam a dinâmica do vórtice com as oscilações das componentes externas do condensado, bem como os efeitos em tempo-de-voo. O momento angular atua aumentando a energia cinética em torno do núcleo de vórtice, que implica em um aumento mais rápido da direção perpendicular a este. Esta situação desloca as freqüências de oscilações coletivas de um estado livre de vórtice, e gera modos coletivos mais ricos devido ao acoplamento. Agora, existem quatro modos possíveis, sendo dois tipos de modo monopolar e dois tipos de modos de quadrupolo. A diferença dentre tais modos é a fase de oscilação do vórtice. Quando se considera flutuações sem simetria polar, seus modos coletivos resultam no decaimento do vórtice. A fim de controlar e prevenir estes processos propusemos três mecanismos dinâmicos, tais como a modulação de comprimento de espalhamento, a modulação das frequências da armadilha harmônica e modulação da amplitude do potencial de Laguerre-Gauss. O último tem provado ser mais eficaz. / The extension of quantum phenomena into macroscopic scales is responsible for a whole class of effects such as superconductivity, superfluidity, and Bose-Einstein condensation, which played central roles in physics throughout the last century. The production of the first Bose-Einstein condensates made possible the realization of experiments involving macroscopic quantum phenomena with an unprecedented level of control of the external parameters. The persistent currents in condensates are intimately related to the nucleation of quantized vortices, which are topological defects as response to transference of quanta of angular momentum. A conventional method for generation of such defects consists in confining the condensed atomic cloud into a rotating trap. It turns out that, for angular velocities higher than a critical value, vortex states become energetically favorable, thus inducing the creation of quantized vortices. Experimental realizations of condensed alkali-metal atoms confined by more general time-dependent potentials allowed the observation not only of vortex lattices but also of quantum turbulence. Since quantum turbulence is characterized by the presence of a self-interacting tangle of quantized vortices, the correct understanding of dynamics, formation, and stability of vortices has shown to be of paramount importance being the subject of many theoretical works. In particular, the role of acoustic excitations generated by decaying multi-charged vortices in the development of turbulence is still an open question. This work aims to provide a set of tools that helps to identify the presence as well as the charge of vortices in non-turbulent clouds observed using time-of-flight pictures. We have done a detailed study of condensates containing multi-charged vortices placed at its center where time-of-flight dynamics is only one point of our interest. Due to the control that this system provides experimentally, the collective modes become an important description since they can be excited using well stablished experimental methods as such as modulation of the s-wave scattering length, and they can also be responsible to vortex decaying. For such purposes we have used the semi-analytical variational method, and the fully numerical calculation of Gross-Pitaevskii equation. Thus we have describes the collective modes that couples dynamics of vortex with the oscillation of external components of condensed atomic cloud as well as the effects in time-of-flight. The angular momentum acts increasing the kinetic energy around the vortex core, which results in a faster expansion of perpendicular direction to it. This situation shifts the frequencies of collective oscillations of a vortex-free state, and generates richer collective modes due the coupling. Now there are four possible modes, being two types of monopole mode and two types of quadrupole modes. The difference among these types is the phase of vortex oscillation. When one considers fluctuations without polar symmetry, their collective modes result in the vortex decaying. In order to control and prevent these processes we have proposed three dynamical mechanisms such as modulation of s-wave scattering length, modulation of frequencies of harmonic trap, and modulation of the amplitude of Laguerre-Gauss potential. The last one has proven to be more effective.

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-09T12:29:52Z No. of bitstreams: 1 leonardedonascimentorodrigues.pdf: 2214371 bytes, checksum: 63b390c0d1258662578ebfbb5c79419b (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-06-26T20:28:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 leonardedonascimentorodrigues.pdf: 2214371 bytes, checksum: 63b390c0d1258662578ebfbb5c79419b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-26T20:28:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 leonardedonascimentorodrigues.pdf: 2214371 bytes, checksum: 63b390c0d1258662578ebfbb5c79419b (MD5) Previous issue date: 2016-09-16 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O espalhamento inelástico de luz tem sido extensivamente utilizado no estudo de materiais semicondutores e se tornou uma técnica indispensável para o entendimento de processos físicos fundamentais. Os efeitos das interações em sistemas eletrônicos quantizados como o gás de elétrons bidimensional foram investigados por meio do espalhamento inelástico de luz, o qual permite entender a natureza das excitações coletivas que são conhecidas como excitações de densidade de carga (CDE) e excitações de densidade de spin (SDE). CDE são oscilações plasmônicas resultantes do acoplamento entre as flutuações de carga via interações de Coulomb e correlação e troca, enquanto SDE ocorrem apenas em decorrência da presença dos efeitos de correlação e troca. CDE são ativas quando a energia do laser é ressonante com o gap óptico do semicondutor (regime de ressonância próxima) e as polarizações da luz incidente e espalhada são paralelas entre si. SDE é também ativa em condições de ressonância próxima e possui polarizações da luz incidente e espalhada perpendiculares entre si. Todavia, tal cenário rompe quando a luz do laser coincide com as energia das transições interbandas do material (regime de ressonância extrema). Em adição as excitações coletivas emergem transições anômalas de gás de elétrons tipo não interagente conhecidas como excitações de partícula independente (SPE). A física envolvida em tais transições ainda parece não ser completamente entendida. Neste trabalho, são apresentados resultados experimentais e teóricos via espalhamento Raman eletrônico oriundos de gás de elétrons bidimensional realizados a partir de poços quânticos simples com o intuito de compreender a natureza das excitações de partícula independente. A medida experimental e os cálculos presentes na tese consistem de um poço quântico simples de 250Å de GaAs (arseneto de gálio) com dopagem modular e densidade eletrônica total de 8.81 x 1011cm-2. Também foi considerado o acoplamento das flutuações de densidade de carga com o fônon óptico longitudinal do GaAs. Em adição, é realizado um cálculo teórico de uma estrutura de poço quântico simples considerado estreito de 100Å de GaAs com dopagem modular e densidade eletrônica total de 1.2 x 1012cm-2. Portanto, o objetivo deste trabalho é mostrar em um caminho claro e transparente a situação física da existência das excitações eletrônicas em gás de elétrons. O trabalho mostrou que, no regime de extrema ressonância, as oscilações de plasma se dividem em duas contribuições: um conjunto de excitações coletivas renormalizadas (plasmons) e transições eletrônicas não renormalizadas (SPE). A fim de alcançar esse propósito, o trabalho evidenciou que o espalhamento Raman eletrônico pertence a uma mesma classe de problemas como o oscilador harmônico amortecido, acoplado e forçado assim como o estado supercondutor na teoria BCS de metais normais. A comparação entre os dados experimentais e teóricos mostrou um excelente acordo. / The inelastic light scattering has been widely used in the study of the semiconductor materials and it has become an indispensable technique for the understanding of fundamental physical processes. The effects of the electronic interactions on quantized electronic systems as two-dimensional electron gas are investigated through means of Raman scattering which allows understand the nature of collective excitations which are known as charge density excitations (CDE) and spin density excitations (SDE). CDE are plasmonic oscillations arising from the coupling between charge fluctuations via Coulombian and exchange-correlation interactions while SDE occur only when exchange-correlation effects are present. CDE is active when the laser energy is resonant with a semiconductor optical gap (near resonance regime) and the incoming and outgoing light polarizations are parallel to each other and SDE has incoming and outgoing light polarizations perpendicular to each other. Nevertheless, such a picture breaks down when the laser matches interband transitions energies of the material (extreme resonance regime). In addition to the collective excitations emerge anomalous transitions of the electron gas noninteracting-like known as single-particle excitations (SPE). The physics of such transitions is still not completely understood. In this work, were present experimental and theoretical results via electronic Raman scattering originating from the two-dimensional electron gas carried out from single quantum wells with the aim of understand the nature of the single-particle excitations. The experimental measures and calculations present in the thesis consists of the GaAs (gallium arsenide) single quantum well of a 250Å wide with modulation-doped and total electronic density of 8.81 x 1011cm2. It was also considered the coupling of the charge fluctuations with the longitudinal optical phonon of GaAs. In addition, it is performed a theoretical calculation of a structure of the GaAs single quantum well considered narrow of a 100Å wide with modulation-doped and and total electronic density of 1.2 x 1012cm2. However, the goal of this work is to show in a clear and transparent way the physical situation of the existence of electronic excitaions in electron gas. The work showed that, in extreme resonance regime, the plasma oscillations splits into two contributions: a set of renormalized collective excitations (plasmons) and unrenormalized electronic transitions (SPE). In order to accomplish this purpose, the study showed that electronic Raman scattering belongs to the same class of problems such as a set of forced, coupled and damped harmonic oscillators or formation of the superconducting state in BCS theory of normal metals. Comparison between experiment and theory shows an excellent agreement.