O objetivo deste trabalho é examinar os efeitos causados pela interação elétron-fônon em pontos quânticos semicondutores polares. Primeiramente, nós apresentamos cálculos detalhados da taxa de espalhamento e do tempo de relaxação eletrônico em pontos quânticos simples (Single Quantum Dot - SQD) e em dois pontos quânticos acoplados (Coupled Quantum Dots - CQDs) devido à interação entre o elétron e os fônons longitudinais acústicos (LA) na presença e na ausência de campos externos, magnético ou elétrico. O regime de energia usado no cálculo do espalhamento eletrônico foi escolhido de forma que os fônons LA dominam o processo de espalhamento. Nós verificamos que na ausência de campo externo, a taxa de espalhamento do elétron por fônons LA entre dois níveis específicos é essencialmente determinada pela diferença de energia entre estes dois níveis. Observamos que um campo magnético modula fortemente a taxa de espalhamento. Verificamos que o processo de relaxação via multicanais desempenha um papel essencial no mecanismo de relaxação do elétron de estados excitados para o estado fundamental. Um campo magnético externo aumenta ainda mais a relaxação através de transições indiretas. Também fizemos um estudo teórico dos efeitos da interação elétron-fônons longitudinais ópticos (LO) em dois pontos quânticos acoplados compostos de InAs/AlInAs. Fizemos cálculos para o polaron ressonante num regime onde a energia de confinamento do elétron é comparável a energia do fônon L0 utilizando o formalismo da função de Green e teoria de perturbação considerando temperatura zero e finita. Observamos uma renormalização do estado fundamental obtida devido a absorção de fônons virtuais para uma temperatura T > O. Discutimos os efeitos do tunelamento entre os pontos quânticos e a sua influência nas propriedades eletrônicas e analisamos o espectro de absorção óptica neste sistema. Verificamos modificações nos orbitais eletrônicos como resultado direto do tunelamento assistido por fônons. Finalmente, avaliamos os efeitos da interação elétron-fônons L0 na densidade de estados do elétron confinado em pontos quânticos utilizando dois modelos distintos: Um modelo não-perturbativo e o formalismo da função de Green. Estudamos cada método separadamente e avaliamos a densidade de estados como função da temperatura e do confinamento lateral. Consideramos um sistema com apenas dois níveis eletrônicos de energia e comparamos os dois métodos avaliando as suas diferenças básicas. Utilizando o método não-perturbativo fizemos cálculos da densidade de estados para um regime de acoplamento forte entre o elétron e os fônons LO / The purpose of this work is to study effects of electron-phonons interactions in polar semiconductor quantum dots. Firstly, we present a detailed calculation on the electron-LA-phonon scattering rates and electron relaxation processes in single and coupled quantum dots in the absence and in the presence of external magnetic or electric fields. In the absence of external field, interplay among the effective confinement lengths in different directions as well as the phonon wavelength leads to a strong oscillation of the LA-phonon scattering rate between two levels. In other words, the scattering depends strongly on the geometry and confinement potential of the quantum dot. An external magnetic field also strongly modulates the scattering rate in severa1 orders of magnitude. The magnetic field induced effects are very similar in single quantum dot (SQD) and coupled quantum dots (CQDs) where the effective confinement strength in the x-direction affects strongly the scattering rate. However, we find that the multiple relaxation process plays an essential role for electron relaxing from the excited states to ground state both in single and coupled quantum dots. Including all possible relaxation channels, an external magnetic field enhances the relaxation through indirect transitions. Secondly, we present a theoretical study on the effects of electron-LO-phonon interaction in two coupled stacked InAs/InAIAs quantum dots. The contribution of resonant and nonresonant electron-LO-phonon coupling to the polaron states are obtained in the framework of t he Green function formalism and the perturbation approach at zero and finite temperatures. Ground state renormalization is found due to virtual phonon absorption at T > O. Tunneling effects between the dots have been addressed and their influente on the electronic properties and optical absorption are analyzed. Topological modifications of electronic orbitals are found as a result of phonon-assisted tunneling. Finally, we investigate the effects of electron-LO-phonon interaction on the electron density of states in quantum dots using two distinct models. A non-perturbative model and the Green function formalism. Within the non-perturbative model, we consider only two electronic levels in a quantum dot interacting to LO-phonons. An exact solution is obtained for the polaron states and spectral function. We evaluate the density of states in the regime at zero and finite temperature for severa1 values of the lateral confinement. We compare the density of states obtained within the two models. Furthermore, we study the polaron effects in strong electron-LO-phonon coupling regime based on the non-perturbative model

Esta tese apresenta uma nova aproximação variacional baseada no Método da Coordenada Geradora e na Teoria do Funcional da Densidade. Nesta nova aproximação, a função de onda de muitos corpos é representada como uma superposição de determinantes de Slater Kohn-Sham não-ortogonais calculados a partir de Hamiltonianos diferentes que carregam uma coordenada geradora atuando como parâmetro de deformação. A discretização integral sobre o conjunto de coordenadas geradoras fornece a energia total variacional do sistema e a contribuição de cada determinante na combinação da respectiva função de onda de muitos corpos. A flexibilidade desta nova metodologia permitiu aplicá-la no estudo das energias totais do estado fundamental e excitado dos átomos da série isoeletrônica do Hélio, utilizando diferentes conjuntos de coordenadas geradoras, diferentes aproximações para o potencial de troca e correlação e diferentes maneiras de implementar a coordenada geradora dentro do Hamiltoniano Kohn-Sham. Em seguida, as bases desta nova metodologia foram estendidas para o caso dependente do tempo, permitindo estudar, por exemplo, processos não-lineares como excitações duplas, conhecidas por sua forte dependência dos efeitos de memória. A nova metodologia foi aplicada no estudo das oscilações paramétricas de um sistema de dois elétron sob um potencial harmônico, o átomo de Hooke. Os resultados demonstram que a escolha adequada das coordenadas geradoras reproduz com precisão os efeitos lineares e não-lineares dos elétrons do sistema que não podem ser descritos pela Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo utilizando a aproximação adiabática. Assim, a nova metodologia mostra-se: flexível, pois permite calcular propriedades do estado fundamental e excitado, estáticas e dinâmicas dos sistemas eletrônicos fornecendo ainda uma aproximação variacional para as respectivas funções de onda de muitos corpos em todos os casos; e também viável, pois fornece resultados promissores no caso independente do tempo constituindo uma ferramenta simples e computacionalmente barata de incluir os efeitos de memória em qualquer aproximação adiabática no caso dependente do tempo. / A new variational approach based on the Generator Coordinate Method and Density- Functional Theory is presented. It represents the interacting many-body wave function as a superposition of non-orthogonal Kohn-Sham Slater determinants arising from different Hamiltonians featuring a generator coordinate acting as a deformation parameter. An integral discretization procedure over the set of generator coordinates provides the variational total energy of the system and the weight of each determinant in the approximation of the respective interacting many-body wave functions. The method was used to calculate the ground and excited state total energies of the Helium isoelectronic serie of atoms using different sets of generator coordinates, different approximations to the exchange-correlation potential and different implementations of the generator coordinate whithin the Kohn-Sham Hamiltonian. Next, the time dependent extension of the method is presented allowing its application, for example, on the study of nonlinear processess as double excitations which are known to be strongly dependent of the memory effects. As an illustration, the method is sucessfully applied to driven parametric oscillations of a two interacting electrons in a harmonic potential, the Hooke\'s atom. It is demonstrated that a proper choice of time-dependent generator coordinates in conjunction with the adiabatic local-density approximation reproduces the exact linear and nonlinear twoelectron dynamics quite accurately, including features associated with double excitations that cannot be captured by Time-Dependent Density-Functional Theory in the adiabatic approximation. Therefore, the method is considered, flexible since it allows to calculate ground and excited-states, static and dynamic properties of the electronic systems yeilding a variational approach to the interacting many-body wave functions for all cases, and feasible, since it improves the results for ground and excited-states total energies in the time-independente case, besides to be a conceptually and computationally simple tool to build memory effects into any existing adiabatic exchange-correlation potential in the time-dependent case.

Este trabalho consiste em um estudo teórico da coexistência de condensados de Bose-Einstein atômicos acoplados. Esta mistura de condensados pode consistir em átomos de um mesmo elemento em vários estados hiperfinos (estado interno). Outra situação em que esta mistura ocorre é quando um átomo em um único estado interno pode ocupar mais de um estados externo. As semelhanças e diferenças entre condensados de Bose-Einstein com vários estados internos e externos serão analisadas cuidadosamente. Somente na aproximação de Bose-Hubbard os estados externos serão tratados como internos. Condensados envolvendo duas ou mais espécies serão estudados com a aproximação de Thomas-Fermi com estados coerentes. Esta aproximação implica em desprezar o termo de energia cinética. Muitos resultados analíticos serão exibidos para a condição em que todos os comprimentos de espalhamento são iguais entre si. Esta condição é bastante próxima da observada em um condensado de vários estados internos. Além disso serão apresentados alguns resultados anaíticos onde o comprimento de espalhamento para espécies diferentes é zero. Esta condição é verificada para a aproximação de Bose-Hubbard para misturas de condensados com estados externos. O objetivo principal destes cálculos é estudar o papel da fase relativa entre as funções de onda nas soluções estacionárias e na evolução temporal destes sistemas. / This work consists of a theoretical study of the coexistance of coupled atomic Bose-Einstein condensates. These mixed condensates can consist of atoms of the same element in different hyperfine internal states. A different situation is that in which an atom in one internal state can ocupate different single particle external states. The similarities and differences between mixed Bose-Einstein condensates involving internal and external states will be analysed carefully. Only in the Bose-Hubbard approximation the external states can be treated like internal states. Condensates involving two or more species will be studied with in a Thomas- Fermi\'s approximation with coherent states. This approximation involves in discarding of the Hamiltonian the kinetic energy term. A number of analytical results are given for the case in which the different channel scatering lenghts are equal to each other. This condition is which well approximated in condensates involving many internal states. Beside some results will also be given for situations where the scatering lenghts for different species vanishes. This condiction is verified for the Bose-Hubbard approximation to externally mixed condensates. The principal goal of this calculations is to study the role of relative phase between the wave functions in the stationary solutions and in the time evolution of the systems.

O objetivo deste trabalho é examinar os efeitos causados pela interação elétron-fônon em pontos quânticos semicondutores polares. Primeiramente, nós apresentamos cálculos detalhados da taxa de espalhamento e do tempo de relaxação eletrônico em pontos quânticos simples (Single Quantum Dot - SQD) e em dois pontos quânticos acoplados (Coupled Quantum Dots - CQDs) devido à interação entre o elétron e os fônons longitudinais acústicos (LA) na presença e na ausência de campos externos, magnético ou elétrico. O regime de energia usado no cálculo do espalhamento eletrônico foi escolhido de forma que os fônons LA dominam o processo de espalhamento. Nós verificamos que na ausência de campo externo, a taxa de espalhamento do elétron por fônons LA entre dois níveis específicos é essencialmente determinada pela diferença de energia entre estes dois níveis. Observamos que um campo magnético modula fortemente a taxa de espalhamento. Verificamos que o processo de relaxação via multicanais desempenha um papel essencial no mecanismo de relaxação do elétron de estados excitados para o estado fundamental. Um campo magnético externo aumenta ainda mais a relaxação através de transições indiretas. Também fizemos um estudo teórico dos efeitos da interação elétron-fônons longitudinais ópticos (LO) em dois pontos quânticos acoplados compostos de InAs/AlInAs. Fizemos cálculos para o polaron ressonante num regime onde a energia de confinamento do elétron é comparável a energia do fônon L0 utilizando o formalismo da função de Green e teoria de perturbação considerando temperatura zero e finita. Observamos uma renormalização do estado fundamental obtida devido a absorção de fônons virtuais para uma temperatura T > O. Discutimos os efeitos do tunelamento entre os pontos quânticos e a sua influência nas propriedades eletrônicas e analisamos o espectro de absorção óptica neste sistema. Verificamos modificações nos orbitais eletrônicos como resultado direto do tunelamento assistido por fônons. Finalmente, avaliamos os efeitos da interação elétron-fônons L0 na densidade de estados do elétron confinado em pontos quânticos utilizando dois modelos distintos: Um modelo não-perturbativo e o formalismo da função de Green. Estudamos cada método separadamente e avaliamos a densidade de estados como função da temperatura e do confinamento lateral. Consideramos um sistema com apenas dois níveis eletrônicos de energia e comparamos os dois métodos avaliando as suas diferenças básicas. Utilizando o método não-perturbativo fizemos cálculos da densidade de estados para um regime de acoplamento forte entre o elétron e os fônons LO / The purpose of this work is to study effects of electron-phonons interactions in polar semiconductor quantum dots. Firstly, we present a detailed calculation on the electron-LA-phonon scattering rates and electron relaxation processes in single and coupled quantum dots in the absence and in the presence of external magnetic or electric fields. In the absence of external field, interplay among the effective confinement lengths in different directions as well as the phonon wavelength leads to a strong oscillation of the LA-phonon scattering rate between two levels. In other words, the scattering depends strongly on the geometry and confinement potential of the quantum dot. An external magnetic field also strongly modulates the scattering rate in severa1 orders of magnitude. The magnetic field induced effects are very similar in single quantum dot (SQD) and coupled quantum dots (CQDs) where the effective confinement strength in the x-direction affects strongly the scattering rate. However, we find that the multiple relaxation process plays an essential role for electron relaxing from the excited states to ground state both in single and coupled quantum dots. Including all possible relaxation channels, an external magnetic field enhances the relaxation through indirect transitions. Secondly, we present a theoretical study on the effects of electron-LO-phonon interaction in two coupled stacked InAs/InAIAs quantum dots. The contribution of resonant and nonresonant electron-LO-phonon coupling to the polaron states are obtained in the framework of t he Green function formalism and the perturbation approach at zero and finite temperatures. Ground state renormalization is found due to virtual phonon absorption at T > O. Tunneling effects between the dots have been addressed and their influente on the electronic properties and optical absorption are analyzed. Topological modifications of electronic orbitals are found as a result of phonon-assisted tunneling. Finally, we investigate the effects of electron-LO-phonon interaction on the electron density of states in quantum dots using two distinct models. A non-perturbative model and the Green function formalism. Within the non-perturbative model, we consider only two electronic levels in a quantum dot interacting to LO-phonons. An exact solution is obtained for the polaron states and spectral function. We evaluate the density of states in the regime at zero and finite temperature for severa1 values of the lateral confinement. We compare the density of states obtained within the two models. Furthermore, we study the polaron effects in strong electron-LO-phonon coupling regime based on the non-perturbative model

Apresentamos uma teoria para obtenção de seções de choque de espalhamento inelástico de luz via mecanismos de flutuações de densidade de carga e spin em um gás de elétrons não-uniforme formado por um sistema multi-camadas de GaAs periodicamente &#948-dopadas com concentração eletrônica relativamente alta. Os cálculos, onde estão inclusos efeitos da interação coulombiana entre os portadores, efeitos de correlação e troca dinâmicos e o acoplamento com fônons LO, foram efetuados em condições de extrema ressonância com o gap de split-off do GaAs. Em tais condições, a estrutura detalhada dos níveis de energia dos buracos de spin-split torna-se extremamente importante e é fundamental para o surgimento do espectro de partícula independente apresentado nos espectros polarizados. Este comportamento é revelado através da seção de choque de espalhamento que consiste da parte imaginária de uma função resposta constituída de um termo de caráter de partícula independente e outro de caráter coletivo. De forma a levar em conta o amortecimento das flutuações de densidade, propõe-se uma função espectral baseada na conservação da corrente local. Comparação com formas de linha experimentais disponíveis para o caso de espectros despolarizados mostram excelente concordância. No caso dos espectros polarizados a concordância se deu em nível semi-quantitativo, já que excitações de caráter coletivo obtidas experimentalmente apresentaram intensidade menor do que aquelas fornecidas pela teoria. Tal discrepância é atribuída a efeitos de desordem introduzidas no processo de dopagem e que implicam na quebra das regras de conservação de momentum. / We present a theory for the inelastic light scattering cross-section for the mechanisms of charge and spin-density fluctuations in the relatively high concentration of the non-uniform electron gas of a multi-layered &#948-doped GaAs system. The calculations are done in conditions of extreme resonance with the spin-split edge of GaAs and include the effects of Coulomb interactions between the carriers, dynamical exchange-correlations and coupling with LO phonons. In such conditions, the detailed energy level structure of the spin-split holes becomes extremely important and is responsible by the single-particle behavior presented in the polarized spectrum. This behavior revealed by the scattering cross-section derived from the imaginary part of a response function, consists of a term showing single particle character and another displaying collective character. To include the damping of the density fluctuations, a spectral function is proposed based on the foreknowledge that the local current must be conserved. Comparison with the available experimental line-shapes for the depolarized spectra show excellent agreement. In the case of polarized spectra the agreement was given in semi-quantitative terms as experimental collective excitations present less intensity than those calculated by the theory. Such difference is attributed to disorder effects produced during the doping process which results in break down of momentum conservation rules.

Orientadores: Aurea Rosas Vasconcellos, Roberto Luzzi / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-06T02:30:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 AndradeNeto_AntonioVieirade_D.pdf: 580703 bytes, checksum: 8cd331112c8a9047f3815f8b9238e984 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Neste trabalho realizamos um estudo pormenorizado das propriedades ópticas de semicondutores polares de gap direto dopado tipo n.Em particular nos concentramos nos efeitos de muitos corpos (interação coulombiana)e na in .uência da interação elétron fônon LO (potencial de Fröhlich)sobre as propriedades ópticas do sistema. Para tanto,inicialmente,calculamos a função dielétrica longitudinal do sistema recorrendo ao elegante,prático e poderoso método das Funções de Green Termodinâmicas de Tempo Duplo. Obtivemos expressões analíticas para as partes real e imaginária da função dielétrica onde estão incorporados efeitos dinâmicos. Foi evidenciado o inter-relacionamento entre os efeitos coletivos ¿gerados pela interação coulombiana ¿e a interação polar.Isto se manifesta claramente nas expressões obtidas para a renormalização das energias de excitação bem como nas funções de relaxação dinâmicas associadas com os efeitos dissipativos no sistema.Tais características se mostram fundamentais para que os resultados numéricos,obtidos a partir da teoria,quando comparados com as curvas experimentais forneçam um muito bom acordo em posição e forma das bandas de espalhamento Raman por modos híbridos de plasmons-fônons LO e o espectros de re .etividade do GaN, inclusive é evidenciada e interpretada,uma banda anômala observada experimentalmente / Abstract: A detailed analysis of the in fluence of the polar and Coulomb interactions, and brief comments on impurities,on the optical properties of III-Nitrides is presented.Raman scattering by coupled plasmon-LO phonon modes is considered in particular.Numerical calculations are done in the case of n-doped GaN obtaining excellent agreement with the experimental data and,in the process,the explanation of certain observed so-called anomalies is done.A brief study of re .ectivity spectra is also included / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Com o rápido avanço das técnicas experimentais observado nas últimas décadas, a fabricação de sistemas nanoestruturados se tornou uma realidade. Nessa escala de grandeza, as interações entre elétrons e vibrações nucleares têm um papel importante no transporte eletrônico, podendo causar a perda de coerência de fase dos elétrons, a abertura de novos canais de condução e a supressão de canais puramente elásticos. Neste trabalho, o problema do transporte eletrônico em escala nanométrica foi tratado considerando as interações elétron-fônon, o que resultou na implementação de ferramentas computacionais para simulação realística de materiais. O transporte eletrônico foi abordado por meio do formalismo das Funções de Green Fora do Equilíbrio, onde as interações elétron-fônon foram tratadas por diferentes modelos. Para considerar o efeito dessas interações no transporte, é necessário, em princípio, incluir um termo de autoenergia de espalhamento na Hamiltoniana do sistema. Contudo, a forma exata dessa autoenergia é desconhecida e aproximações são necessárias. O primeiro efeito da interação elétron-fônon estudado foi a perda de coerência de fase, o que foi abordado pelo modelo fenomenológico das sondas de Büttiker [1]. Foram realizadas duas implementações diferentes deste modelo, a primeira na forma usual, onde se considera uma aproximação elástica para o cálculo da corrente, e a segunda por meio de uma nova proposta sem a aproximação elástica. Entretanto, como a autoenergia de interação utilizada não contém informação a respeito da estrutura dos fônons, o modelo produz somente um alargamento do canal de condutância, simulando apenas o efeito de perda de coerência de fase dos elétrons devido à interação com fônons do material. Para poder incluir as informações sobre a estrutura dos fônons, foi desenvolvido o programa PhOnonS ITeratIVE VIBRATIONS, para o cálculo das frequências e dos modos vibracionais de materiais e para calcular a matriz de acoplamento elétron-fônon, a partir de métodos de primeiros princípios. No cálculo da matriz de acoplamento elétron-fônon, além da implementação do código algumas intervenções foram realizadas no programa SIESTA [2,3] (uma implementação da Teoria do Funcional da Densidade). Outra abordagem para a interação elétron-fônon consiste em expandir a autoenergia de interação perturbativamente em diagramas de Feynman até a primeira ordem, o que é convencionalmente chamado de primeira aproximação de Born. Essa aproximação, assim como a sua versão autoconsistente, no qual uma classe mais ampla de diagramas é considerada, foram incorporadas ao programa SMEAGOL [4], um código de transporte eletrônico ab initio baseado na combinação DFT-NEGF e que utiliza como plataforma do cálculo da estrutura eletrônica o código SIESTA. Essas implementações, em conjunto com diversas mudanças realizadas no código SMEAGOL, deram origem ao programa Inelastic SMEAGOL para cálculos de transporte inelástico ab initio. Nessa busca por uma descrição mais realista dos dispositivos eletrônicos, outro aspecto que deve ser considerado é o fato de que os dispositivos muitas vezes podem alcançar escalas de comprimento da ordem de 100 nm com um grande número de defeitos aleatoriamente distribuídos, o que pode levar a um novo regime fundamental de transporte, a saber, o de localização de Anderson [5]. Neste trabalho, foi desenvolvido o programa Inelastic DISORDER, que permite calcular, por primeiros princípios, as propriedades de transporte elástico e inelástico de sistemas com dezenas de milhares de átomos com um grande número de defeitos posicionados aleatoriamente. O método combina cálculos de estrutura eletrônica via DFT com o formalismo NEGF para o transporte, onde as interações elétron-fônon são incluídas por meio de teoria de perturbação com relação à matriz de acoplamento elétron-fônon (Lowest Order Expansion). O método desenvolvido foi aplicado ao estudo de nanofitas de grafeno com impurezas hidroxílicas. Observou-se que, ao incluir a interação elétron-fônon, as propriedades de transporte sofrem mudanças significativas, indicando que estas interações podem influenciar nos efeitos de localização por desordem. [1] M. Büttiker. Phys. Rev. B 33(5), 30203026 (1986). [2] E. Artacho, D. Sánchez-Portal, P. Ordejón, A. García e J. M. Soler. Phys. Stat. Sol. (b) 215, 809817 (1999). [3] J. M. Soler, E. Artacho, J. D. Gale, A. García, J. Junquera, P. Ordejón e D. Sánchez- Portal. J. Phys. Cond. Mat. 14, 27452779 (2002). [4] A. R. Rocha, V. M. García-Suárez, S. W. Bailey, C. J. Lambert, J. Ferrer e S. Sanvito. Phys. Rev. B 73, 085414 (2006). [5] P. W. Anderson. Phys. Rev. 109, 1492 (1958). / With the fast improvement of experimental techniques over the past decades, the synthesis of nanoscale systems has become a reality. At this length scales, the interaction between electrons and ionic vibrations plays an important role in electronic transport, and may cause the loss of the electron\'s phase coherence, the opening of new conductance channels and the suppression of purely elastic ones. In this work the electronic transport problem at nanoscale was addressed considering the electron-phonon interactions, resulting on the development of computational tools for realistic simulations of materials. The electronic transport was approached with the Non-Equilibrium Green\'s Function formalism, where electron-phonon interactions were addressed by different models. To take into account the interaction\'s effects, one needs in principle to include a self-energy scattering term in the system Hamiltonian. Nevertheless, the exact form of this self-energy is unknown and approximations are required. The first effect from electron-phonon interactions dealt was the loss of phase coherence, which was approached by the Büttiker\'s probes phenomenological model [1]. Two different implementations of this model were performed, the first in the standard form, where an elastic approximation is considered in order to compute the current, and the second by a new method without the elastic approximation. However, since the interaction self-energy used doesn\'t contains any information about the phonon\'s structure, this model only produces a broadening at the conducting channels, simulating just the effect of loss of phase coherence from the electrons due to their interactions with the phonons. In order to be able to include information about the phonon\'s structure, the computational code PhOnonS ITeratIVE VIBRATIONS was developed, for calculating the frequencies and vibrational modes of the materials and to compute the electron-phonon coupling matrix, from first principles methods. In the calculation of the electron-phonon coupling matrix, besides the code implementation some changes were performed at the SIESTA program [2,3] (a Density Functional Theory implementation). Another approach for the electron-phonon interactions consists of expanding the interaction self-energy perturbatively in Feynman diagrams until the first order, what is conventionally called the first Born approximation. This approximation, together with its self-consistent version, where a wider class of diagrams are regarded, have been incorporated into the SMEAGOL program [4], an ab initio electronic transport code based on the combination DFT-NEGF which uses the SIESTA code as a platform for electronic structure calculations. The implementations, together with many changes performed on SMEAGOL code, gave rise to the Inelastic SMEAGOL program for inelastic ab initio transport calculations. In this search for a more realistic description of electronic devices, another feature that should be taken into account is the fact that these devices most often can reach the 100 nm length scale with a large number of randomly distributed defects, which can lead to a fundamentally new transport regime, namely the Anderson localization regime [5]. In this work, the program Inelastic DISORDER was developed, which allows one to compute, by first principles, the elastic and inelastic transport properties from systems with tens of thousands of atoms with a large number of randomly positioned defects. The method combines electronic structure calculations via DFT with the NEGF formalism for transport, where the electron-phonon interactions are included with perturbation theory on the electron-phonon coupling matrix (Lowest Order Expansion). The developed method was applied to the study of graphene nanoribbons with joint attachment of hydroxyl impurities. It was observed that, by including the electron-phonon interaction, the transport properties experience significant changes, indicating that these interactions can influence the effects of localization by disorder. [1] M. Büttiker. Phys. Rev. B 33(5), 30203026 (1986). [2] E. Artacho, D. Sánchez-Portal, P. Ordejón, A. García, and J. M. Soler. Phys. Stat. Sol. (b) 215, 809817 (1999). [3] J. M. Soler, E. Artacho, J. D. Gale, A. García, J. Junquera, P. Ordejón, and D. Sánchez- Portal. J. Phys. Cond. Mat. 14, 27452779 (2002). [4] A. R. Rocha, V. M. García-Suárez, S. W. Bailey, C. J. Lambert, J. Ferrer, and S. Sanvito. Phys. Rev. B 73, 085414 (2006). [5] P. W. Anderson. Phys. Rev. 109, 1492 (1958).

Uma técnica de projeção é usada para tratar o problema de condição inicial na teoria quântica de campos. Neste formalismo, equações de movimento do tipo cinético são deduzidas para o conjunto de variáveis dinâmicas de um corpo. Estas equações são submetidas a uma expansão não perturbativa. Tratamos esta expansão em ordem mais baixa, correspondente a aproximacão de campo médio, para um sistema uniforme de muitos fermions fora do equilíbrio descrito pelo modelo fermiônico quiral de gross-neveu. Nesta aproximação recuperamos os resultados existentes na literatura, tais como, geração dinâmica de massa, liberdade assintótica e o fenômeno de transmutação dimensional. Estudando ainda nesta aproximção o regime de pequenas oscilações em torno do equilíbrio, obtemos soluções analíticas para a evolução dinâmica de nossas variáveis. Verificamos também as condições para existencias de estados ligados neste regime. / A time-dependent projection technique is used to treat the initial value problem in Quantum Field Theory. On the basis of the general dynamics of the fields, we derive equations of kinetic type for the set of one-body dynamics variables. A non-perturbative expansion can be written for these equations. We treat this expansion in lowest order, which corresponds to the Mean-Field Approximation, for a non-equilibrium uniform many-fermions system described by Chiral Gross-Neveu Model. Several literature results are obtained such as dynamical mass generation, dimensional transmutation and asymptotic freedom. In this approximation we study the small oscillations regime obtaining analytical solution for one-body dynamical variables. We have also examined the condition for the existence of bound-state in this case.

Esta tese apresenta uma nova aproximação variacional baseada no Método da Coordenada Geradora e na Teoria do Funcional da Densidade. Nesta nova aproximação, a função de onda de muitos corpos é representada como uma superposição de determinantes de Slater Kohn-Sham não-ortogonais calculados a partir de Hamiltonianos diferentes que carregam uma coordenada geradora atuando como parâmetro de deformação. A discretização integral sobre o conjunto de coordenadas geradoras fornece a energia total variacional do sistema e a contribuição de cada determinante na combinação da respectiva função de onda de muitos corpos. A flexibilidade desta nova metodologia permitiu aplicá-la no estudo das energias totais do estado fundamental e excitado dos átomos da série isoeletrônica do Hélio, utilizando diferentes conjuntos de coordenadas geradoras, diferentes aproximações para o potencial de troca e correlação e diferentes maneiras de implementar a coordenada geradora dentro do Hamiltoniano Kohn-Sham. Em seguida, as bases desta nova metodologia foram estendidas para o caso dependente do tempo, permitindo estudar, por exemplo, processos não-lineares como excitações duplas, conhecidas por sua forte dependência dos efeitos de memória. A nova metodologia foi aplicada no estudo das oscilações paramétricas de um sistema de dois elétron sob um potencial harmônico, o átomo de Hooke. Os resultados demonstram que a escolha adequada das coordenadas geradoras reproduz com precisão os efeitos lineares e não-lineares dos elétrons do sistema que não podem ser descritos pela Teoria do Funcional da Densidade Dependente do Tempo utilizando a aproximação adiabática. Assim, a nova metodologia mostra-se: flexível, pois permite calcular propriedades do estado fundamental e excitado, estáticas e dinâmicas dos sistemas eletrônicos fornecendo ainda uma aproximação variacional para as respectivas funções de onda de muitos corpos em todos os casos; e também viável, pois fornece resultados promissores no caso independente do tempo constituindo uma ferramenta simples e computacionalmente barata de incluir os efeitos de memória em qualquer aproximação adiabática no caso dependente do tempo. / A new variational approach based on the Generator Coordinate Method and Density- Functional Theory is presented. It represents the interacting many-body wave function as a superposition of non-orthogonal Kohn-Sham Slater determinants arising from different Hamiltonians featuring a generator coordinate acting as a deformation parameter. An integral discretization procedure over the set of generator coordinates provides the variational total energy of the system and the weight of each determinant in the approximation of the respective interacting many-body wave functions. The method was used to calculate the ground and excited state total energies of the Helium isoelectronic serie of atoms using different sets of generator coordinates, different approximations to the exchange-correlation potential and different implementations of the generator coordinate whithin the Kohn-Sham Hamiltonian. Next, the time dependent extension of the method is presented allowing its application, for example, on the study of nonlinear processess as double excitations which are known to be strongly dependent of the memory effects. As an illustration, the method is sucessfully applied to driven parametric oscillations of a two interacting electrons in a harmonic potential, the Hooke\'s atom. It is demonstrated that a proper choice of time-dependent generator coordinates in conjunction with the adiabatic local-density approximation reproduces the exact linear and nonlinear twoelectron dynamics quite accurately, including features associated with double excitations that cannot be captured by Time-Dependent Density-Functional Theory in the adiabatic approximation. Therefore, the method is considered, flexible since it allows to calculate ground and excited-states, static and dynamic properties of the electronic systems yeilding a variational approach to the interacting many-body wave functions for all cases, and feasible, since it improves the results for ground and excited-states total energies in the time-independente case, besides to be a conceptually and computationally simple tool to build memory effects into any existing adiabatic exchange-correlation potential in the time-dependent case.

Orientador: José Antônio Brum / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-24T13:58:03Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mendes_UdsonCabral_D.pdf: 12052104 bytes, checksum: 67d2d70413e86cd914ef0145b639ff5b (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Nesta tese, investigamos teoricamente as propriedades eletrônicas e ópticas de poços quânticos e pontos quânticos de semicondutores magnéticos diluídos. Este estudo é fortemente motivado por muitos resultados experimentais sobre as propriedades ópticas desse materiais. Usando a teoria do funcional da densidade dependente de spin descrevemos os estados eletrônicos como função do campo magnético externo para poços quânticos que possuem barreiras dopadas com impurezas magnéticas. Nosso modelo leva em conta os efeitos de muitos-corpos do gás de buracos e as interações entre portadores e os íons magnéticos. Comparamos nossos resultados com os dados experimentais disponíveis, que apresentam forte oscilações da luz polarizada circularmente como função do campo magnético. Nossos resultados apresentam excelente concordância qualitativa e quantitativa com os resultados experimentais. Mostramos que os efeitos de troca do gás de buraco são responsáveis pela forte oscilação observada na fotoluminescência. Também realizamos uma investigação sistemática dos parâmetros da heteroestrutura afim de aumentar a interação de troca entre portadores e íons de Mn. Com o nosso modelo entedemos os diferentes regimes de relaxação de spin do elétron em poços quânticos com barreiras dopadas com impurezas magnéticas. Nós também investigamos as propriedades eletrônicas e ópticas de pontos quânticos carregados dopados com uma única impureza magnética em seu centro. Usando métodos de diagonalização exata mostramos que os elétrons que não estão diretamente acoplados com o íon de Mn acoplam-se via uma interação indireta que é mediada pela interação elétron-elétron. Este acoplamento indireto entre elétrons e Mn pode ser tanto ferromagnético quanto antiferromagnético dependendo de ambos confinamento e número de camadas eletrônicas confinadas no ponto quântico. Demonstramos que este acoplamento indireto é um efeito importante mesmo quanto o íon de Mn não esta no centro do ponto quântico. O acoplamento indireto existe independentemente do tipo de interação direta entre portadores e a impureza magnética. Também extendemos a teoria de fotoluminescência para essa heteroestrutura. Observamos que a interação indireta entre portadores e íon magnético gera uma estrutura fina em ambos os estados iniciais e finais da emissão, o que nos permite determinar o número de camadas confinadas no ponto quântico e o spin eletrônico. Com esse método de diagonalização exata, explicamos a origem da estrutura fina do biexciton confinado em um ponto quântico dopado com uma única impureza magnética / Abstract: In this thesis, we theoretically investigate the electronic and optical properties of diluted magnetic semiconductors quantum wells and quantum dots. This is strongly motivated by many experimental results on the optical properties of these materials. Using spin-density functional theory we described the electronic states as a function of the external magnetic field for quantum wells which have barriers doped with magnetic impurities. Our model takes into account the many-body effects of the two-dimensional hole gas and the interaction between carriers and the magnetic ions. We compare our findings with the available experimental data, which shows strong oscillations in the circularly polarized light as a function of the magnetic field. Our results show excellent qualitative and quantitative agreement with the experimental data. We show that the hole gas exchange effects are responsible for the strong oscillations observed in the photoluminescence. We perform a systematic investigation of the heterostructure parameters in order to enhance the carriers-Mn exchange interaction. With our model we understand the different regime of the electron¿s spin relaxation in quantum wells with barriers doped with Mn impurities. We also investigate the electronic and optical properties of charged quantum dots doped with a single magnetic impurity in its center. Using an exact diagonalization method we show that the electrons that are not directly coupled with Mn do so via an indirect coupling mediated by electron-electron interaction. This indirect electron-Mn coupling can be either ferromagnetic or antiferromagnetic depending on both quantum dot confinement and the number of electronic confined shells. We also demonstrate that the indirect electron-Mn coupling is an important effect even when Mn is off-center. This coupling exists independently of the type of the direct interaction between carriers and Mn impurity. We also extend the theory of photoluminescence for charged quantum dots containing a single magnetic impurity. We show that the indirect interaction between carriers and magnetic ion generates a fine structure in both initial and final states of the emission, which allows us to determinate the number of confined shells in the quantum dots and the electronic spins. Whit this exact diagonalizationmethod, we explain the origin of the fine structure of a biexciton confined in quantum dot containing a single Mn impurity / Doutorado / Física / Doutor em Ciências