Ferromagnetismo itinerante permanece um problema elusivo em Física. O fenômeno resulta da competição entre interação eletrônica e efeitos de muitos corpos e não pode ser tratado perturbativamente. Particularmente em uma dimensão, teoremas proíbem fases ferromagnéticas em T = 0 para modelos de rede com hopping de primeiros vizinhos. Nos últimos vinte anos, entretanto, apareceram modelos na literatura que estendem o hopping para além de primeiros vizinhos e para os quais ordem ferromagnética foi rigorosamente estabelecida. Praticamente todas as demonstrações da existência de ferromagnetos unidimensionais são feitas em fase isolante (com exceção de casos patológicos, como repulsão infinita). Isto nos levou a investigar o acoplamento entre os setores de spin e carga no regime fortemente interagente quando se dopa o sistema, o que introduz pontos de Fermi pF e -pF. Encontramos, com teoria de perturbação, singularidades logarítmicas na autoenergia do mágnon quando seu momentum é pF ou -pF. Derivamos uma teoria de campo efetiva para o espalhamento em torno desses pontos entre os mágnons e férmions sem spin (que representam o setor de carga). O modelo efetivo é similar ao modelo Kondo, que consiste de uma impureza magnética localizada acoplada localmente com um mar fermiônico por uma interação de troca entre spins. Em nosso modelo, há, na realidade, um pseudospin que indica se o momentum de uma partícula é próximo de pF ou de -pF e o mágnon se comporta como uma impureza móvel. A mobilidade da impureza leva a uma relação de dispersão para os férmions dependente do pseudospin da impureza. / Itinerant ferromagnetism remains an elusive problem in Physics. The phenomenon arises from a competition between electronic interaction and many-body effects and cannot be treated perturbatively. Particularly in 1D, there are rigorous proofs that forbid ferromagnetic phase for lattice models with nearest-neighbours hopping only. In the last twenty years, however, models with hopping beyond nearest-neighbours were proposed in the literature and for which ferromagnetic phase was rigorously established. Virtually every proof of the existence of one-dimensional ferromagnets is done in an insulator phase (disregarding some pathological cases, such as infinite electronic repulsion). That motivated us to investigate the coupling between spin and charge sectors in the strongly interacting regime when we dope the system, introducing two Fermi points, pF and -pF. We found out, through perturbation theory, logarithmic singularities in the magnon selfenergy when its momentum is pF or -pF. To understand them, we derived an effective field theory for the scattering between magnons and spinless fermions (which represent the charge sector) close to these points. The effective model resembles the Kondo model, which describes a magnetic impurity locally coupled to a fermionic sea through spin exchange interaction. In our model, there is actually a pseudospin that indicates if a particle momentum is closest to pF or -pF and the magnon behaves as a mobile impurity. The impurity mobility leads to a fermionic dispersion relation that depends on the impurity pseudospin.

Ferromagnetismo itinerante permanece um problema elusivo em Física. O fenômeno resulta da competição entre interação eletrônica e efeitos de muitos corpos e não pode ser tratado perturbativamente. Particularmente em uma dimensão, teoremas proíbem fases ferromagnéticas em T = 0 para modelos de rede com hopping de primeiros vizinhos. Nos últimos vinte anos, entretanto, apareceram modelos na literatura que estendem o hopping para além de primeiros vizinhos e para os quais ordem ferromagnética foi rigorosamente estabelecida. Praticamente todas as demonstrações da existência de ferromagnetos unidimensionais são feitas em fase isolante (com exceção de casos patológicos, como repulsão infinita). Isto nos levou a investigar o acoplamento entre os setores de spin e carga no regime fortemente interagente quando se dopa o sistema, o que introduz pontos de Fermi pF e -pF. Encontramos, com teoria de perturbação, singularidades logarítmicas na autoenergia do mágnon quando seu momentum é pF ou -pF. Derivamos uma teoria de campo efetiva para o espalhamento em torno desses pontos entre os mágnons e férmions sem spin (que representam o setor de carga). O modelo efetivo é similar ao modelo Kondo, que consiste de uma impureza magnética localizada acoplada localmente com um mar fermiônico por uma interação de troca entre spins. Em nosso modelo, há, na realidade, um pseudospin que indica se o momentum de uma partícula é próximo de pF ou de -pF e o mágnon se comporta como uma impureza móvel. A mobilidade da impureza leva a uma relação de dispersão para os férmions dependente do pseudospin da impureza. / Itinerant ferromagnetism remains an elusive problem in Physics. The phenomenon arises from a competition between electronic interaction and many-body effects and cannot be treated perturbatively. Particularly in 1D, there are rigorous proofs that forbid ferromagnetic phase for lattice models with nearest-neighbours hopping only. In the last twenty years, however, models with hopping beyond nearest-neighbours were proposed in the literature and for which ferromagnetic phase was rigorously established. Virtually every proof of the existence of one-dimensional ferromagnets is done in an insulator phase (disregarding some pathological cases, such as infinite electronic repulsion). That motivated us to investigate the coupling between spin and charge sectors in the strongly interacting regime when we dope the system, introducing two Fermi points, pF and -pF. We found out, through perturbation theory, logarithmic singularities in the magnon selfenergy when its momentum is pF or -pF. To understand them, we derived an effective field theory for the scattering between magnons and spinless fermions (which represent the charge sector) close to these points. The effective model resembles the Kondo model, which describes a magnetic impurity locally coupled to a fermionic sea through spin exchange interaction. In our model, there is actually a pseudospin that indicates if a particle momentum is closest to pF or -pF and the magnon behaves as a mobile impurity. The impurity mobility leads to a fermionic dispersion relation that depends on the impurity pseudospin.

Ce travail de thèse est consacré à l'étude sur une large gamme de températures d'un système unidimensionnel modèle, les nano-peapods de carbone. Ces composés sont constitués de fullerènes (C60, dans notre cas) insérés dans des nanotubes de carbone monofeuillets. Les diamètres des fullerènes et des tubes étant concordant, les fullerènes s'arrangent selon un réseau 1D.Dans le premier chapitre de ce manuscrit, nous décrivons la synthèse des peapods de carbone. Dans les deux chapitres suivants, nous décrivons les différents modèles et méthodes expérimentales qui nous permettent de déterminer l'évolution de la structure moyenne des chaînes de fullerènes, ainsi que la dynamique de rotation et de translation des molécules.Dans les trois derniers chapitres, nous décrivons l'évolution de la structure et de la dynamique des chaînes sur trois gammes de températures, que nous appelons hautes (500-1100 K), basses (0-200 K), et intermédiaires (200-500 K). Les résultats expérimentaux concernant deux types d'échantillons, les peapods monomères et les peapods polymères (dans lesquels les degrés de liberté de rotation sont restreints) sont confrontés à des modèles analytiques. Nous mettons en évidence trois comportements différents des chaînes dans ces trois gammes de température. / This work is dedicated to the study of the structural and dynamical behavior of a model one-dimensional system over a wide temperature range: carbon nano-peapods. This compound is constituted of fullerenes (C60, in our case) inserted inside single-walled carbon nanotubes. The perfect match between the inner diameter of the tubes and the diameter of the fullerenes results in a chain organization of the C60 molecules.The synthesis of these peapods is described in the first part of this manuscript. The two next chapters are aimed to the description of the different experimental and simulation methods that are used to monitor the structural and dynamical behavior of the C60 molecules.In the three last chapters, we describe the behaviour of the C60 molecules over three temperature ranges, labeled high (500-1100 K), low (0-200 K), and intermediary (200-500 K) ranges. By comparing experimental results to analytical models for both monomer and polymer peapods (the rotational degree of freedom being hindered in the latter), we highlight three different behaviors of the molecules in these three ranges.

Propriedades dinâmicas de sistemas quânticos de muitos corpos é um tópico de grande interesse em física da matéria condensada. Estas propriedades nos dão informação sobre a propagação de excitações elementares e de mecanismos de relaxação em sistemas interagentes. Neste contexto, as funções de correlação tem se tornado ainda mais relevantes devido a experimentos em sistemas de átomos frios e íons armadilhados que medem diretamente no domínio temporal os comportamentos assintóticos no tempo. No entanto, até o momento a maioria dos estudos em cadeias de spin quânticas focaram-se em correlações de um único spin. Utilizando a cadeia de spin XX unidimensional, nós estudamos métodos exatos para calcular as funções de correlação das componentes do tensor de dois spins, Tabi,j = SaiSbj. Estes operadores aparecem, por exemplo, como a resposta da seção de choque de espalhamento inelástico de raios X. Baseados no teorema de Wick, nós mostramos que algumas funções de correlação das componentes locais do tensor de dois operadores de spins de sítios vizinhos, na representação de férmions, podem ser escritas como uma combinação de funções de Green de uma única partícula. Utilizamos diagramas de Feynman para organizar esta combinação e calcular as funções de correlação. Em seguida, considerando esses propagadores para tempos longos e grandes distâncias ao longo do cone de luz, encontramos o comportamento dessas funções de correlação como leis de potência oscilatórias que decaem com o tempo e distância. Uma aplicação direta das funções de correlação é para o estudo de quantidades conservadas e não conservadas, uma análise sobre algumas dessas quantidades foi feita. Discutimos também as funções de correlação das componentes do tensor que não são locais na representação fermiônica. Nesse caso os cálculos foram mais desafiadores, mas usamos o fato que funções de correlação dependente do tempo podem ser expressadas em termos dos determinantes de Fredholm. / Dynamical properties of quantum many body systems is a major topic of interest in condensed matter physics. These properties tell us about the propagation of elementary excitation and mechanisms of relaxation in interacting systems. In this context correlation functions have became even more relevant due the experiments in systems of cold atoms and trapped ions that measure real time dependence directly out to relatively long times. However, most studies in quantum spins chains so far have focused on correlations of single spins. Using the one dimensional XX spin chain, we study exact methods to calculate the correlation functions of the components of the tensor operator involving two spins, Tabi,j = SaiSbj. This operator appear, for example, as a response of inelastic x-ray scattering cross section. Based on Wick\'s theorem, we show that some correlation functions of local components of the tensor operator of two pairs of neighbor sites, in the fermion space, can be written as a combination of Greens functions of a single particle. We have used Feynman diagrams to organize this combination and calculate the correlation functions. Then, considering these propagators for long times and large distances along the light cone, we found the behavior of these correlation functions as a oscillatory and power law decay on time. A direct application of correlation functions is to study conserved and non-conserved quantities, and such analysis has been made. We also considered other two-spin operators which are not local in the fermionic representation. In this case the calculation is more challenging, but the time-dependent correlation functions can be expressed in terms of Fredholm determinants.

Estudamos as propriedades eletrônicas de dois sistemas quase-unidimensionais distintos, resolvendo autoconsistentemente as equações de Schrödinger e Poisson.O método usado para calcular a estrutura eletrônica deste sistema e baseada na solução da equação de Schrödinger dependente do tempo usando a técnica do Split-Operator. No primeiro sistema estudamos os efeitos da corrugação periódica da interface da estrutura n-AlxGa1-xAs/GaAs na densidade eletrônica ao longo desta interface. A forma geométrica desta interface e do tipo dente de serra. Nas camadas de inversão convencionais, os elétrons estão distribuídos uniformemente ao longo da interface plana da heteroestrutura, mas devido à forma dente de serra desta estrutura, os elétrons se distribuem de maneira não uniforme ao longo da interface, produzindo um gás de elétrons quase-unidimensional. A estrutura que investigamos possui um período de 806 ANGSTROM e uma densidade residual uniforme de impurezas aceitadoras da ordem de 1015 cm-3. Calculamos a estrutura eletrônica do gás de elétrons unidimensional confinado na interface corrugada em função da voltagem aplicada ao gate, da densidade de impurezas doadoras e da temperatura. Os resultados obtidos para a densidade eletrônica mostram que, dependendo da densidade de impurezas doadoras, haverá formação de u gás de elétrons quase-unidimensional nos vértices da estrutura dente de serra. O segundo sistema que estudamos é constituído por um gás de elétrons bidimensional, formado na interface de uma camada de Al1-xGa1-xAs com uma camada de GaAs, sobre a qual, temos uma estrutura periódica de \"gates\". Aplicando-se uma voltagem negativa sobre os \"gates\" teremos a formação de fios quânticos nas regiões entre os \"gates\". Neste sistema observamos a transição de um sistema quase-bidimensional para um quase-unidimensional. Investigamos suas propriedades eletrônicas em funçãoo da temperatura, da voltagem aplicada aos \"gates\" e da densidade de impurezas doadoras. / We have studied the electronic properties of two different quasi-one-dimensional systems solving self-consistently the Schrödinger and Poisson equation. The method we use to calculate the electronic levels is based on the solution of the time-dependent Schrödinger equation using the split-operator technique. In the first system we have studied, we present a theoretical calculation of the electronic structure of v-groove quantum wires confined in modulation-doped n-AlxGa1-xAs/GaAs. The system investigated is saw tooth corrugated by bendings with period of 850 ANGSTROM. Results of the electronic structure are obtained as a function of the gate voltage and the donor impurity density. The electronic density shows the existence of a quasi one-dimensional electron gas. The second system studied here is composed by a two-dimensional electron gas confined at the interface of an Al1-xGa1-xAs/GaAs heterostructure, on top of which there is a periodic structure of gates. When a negative voltage is applied to the gates, the regions at the interface beneath them are depleted and quantum wires are formed. We have calculated the electronic structure of subband of that system. We investigated the electronic properties of the quantum wires as a function of gate voltage, from which we determine the threshold between the 2D and ID transitions, the temperature and the ionized donor density.

Estudamos as propriedades eletrônicas de dois sistemas quase-unidimensionais distintos, resolvendo autoconsistentemente as equações de Schrödinger e Poisson.O método usado para calcular a estrutura eletrônica deste sistema e baseada na solução da equação de Schrödinger dependente do tempo usando a técnica do Split-Operator. No primeiro sistema estudamos os efeitos da corrugação periódica da interface da estrutura n-AlxGa1-xAs/GaAs na densidade eletrônica ao longo desta interface. A forma geométrica desta interface e do tipo dente de serra. Nas camadas de inversão convencionais, os elétrons estão distribuídos uniformemente ao longo da interface plana da heteroestrutura, mas devido à forma dente de serra desta estrutura, os elétrons se distribuem de maneira não uniforme ao longo da interface, produzindo um gás de elétrons quase-unidimensional. A estrutura que investigamos possui um período de 806 ANGSTROM e uma densidade residual uniforme de impurezas aceitadoras da ordem de 1015 cm-3. Calculamos a estrutura eletrônica do gás de elétrons unidimensional confinado na interface corrugada em função da voltagem aplicada ao gate, da densidade de impurezas doadoras e da temperatura. Os resultados obtidos para a densidade eletrônica mostram que, dependendo da densidade de impurezas doadoras, haverá formação de u gás de elétrons quase-unidimensional nos vértices da estrutura dente de serra. O segundo sistema que estudamos é constituído por um gás de elétrons bidimensional, formado na interface de uma camada de Al1-xGa1-xAs com uma camada de GaAs, sobre a qual, temos uma estrutura periódica de \"gates\". Aplicando-se uma voltagem negativa sobre os \"gates\" teremos a formação de fios quânticos nas regiões entre os \"gates\". Neste sistema observamos a transição de um sistema quase-bidimensional para um quase-unidimensional. Investigamos suas propriedades eletrônicas em funçãoo da temperatura, da voltagem aplicada aos \"gates\" e da densidade de impurezas doadoras. / We have studied the electronic properties of two different quasi-one-dimensional systems solving self-consistently the Schrödinger and Poisson equation. The method we use to calculate the electronic levels is based on the solution of the time-dependent Schrödinger equation using the split-operator technique. In the first system we have studied, we present a theoretical calculation of the electronic structure of v-groove quantum wires confined in modulation-doped n-AlxGa1-xAs/GaAs. The system investigated is saw tooth corrugated by bendings with period of 850 ANGSTROM. Results of the electronic structure are obtained as a function of the gate voltage and the donor impurity density. The electronic density shows the existence of a quasi one-dimensional electron gas. The second system studied here is composed by a two-dimensional electron gas confined at the interface of an Al1-xGa1-xAs/GaAs heterostructure, on top of which there is a periodic structure of gates. When a negative voltage is applied to the gates, the regions at the interface beneath them are depleted and quantum wires are formed. We have calculated the electronic structure of subband of that system. We investigated the electronic properties of the quantum wires as a function of gate voltage, from which we determine the threshold between the 2D and ID transitions, the temperature and the ionized donor density.

Propriedades dinâmicas de sistemas quânticos de muitos corpos é um tópico de grande interesse em física da matéria condensada. Estas propriedades nos dão informação sobre a propagação de excitações elementares e de mecanismos de relaxação em sistemas interagentes. Neste contexto, as funções de correlação tem se tornado ainda mais relevantes devido a experimentos em sistemas de átomos frios e íons armadilhados que medem diretamente no domínio temporal os comportamentos assintóticos no tempo. No entanto, até o momento a maioria dos estudos em cadeias de spin quânticas focaram-se em correlações de um único spin. Utilizando a cadeia de spin XX unidimensional, nós estudamos métodos exatos para calcular as funções de correlação das componentes do tensor de dois spins, Tabi,j = SaiSbj. Estes operadores aparecem, por exemplo, como a resposta da seção de choque de espalhamento inelástico de raios X. Baseados no teorema de Wick, nós mostramos que algumas funções de correlação das componentes locais do tensor de dois operadores de spins de sítios vizinhos, na representação de férmions, podem ser escritas como uma combinação de funções de Green de uma única partícula. Utilizamos diagramas de Feynman para organizar esta combinação e calcular as funções de correlação. Em seguida, considerando esses propagadores para tempos longos e grandes distâncias ao longo do cone de luz, encontramos o comportamento dessas funções de correlação como leis de potência oscilatórias que decaem com o tempo e distância. Uma aplicação direta das funções de correlação é para o estudo de quantidades conservadas e não conservadas, uma análise sobre algumas dessas quantidades foi feita. Discutimos também as funções de correlação das componentes do tensor que não são locais na representação fermiônica. Nesse caso os cálculos foram mais desafiadores, mas usamos o fato que funções de correlação dependente do tempo podem ser expressadas em termos dos determinantes de Fredholm. / Dynamical properties of quantum many body systems is a major topic of interest in condensed matter physics. These properties tell us about the propagation of elementary excitation and mechanisms of relaxation in interacting systems. In this context correlation functions have became even more relevant due the experiments in systems of cold atoms and trapped ions that measure real time dependence directly out to relatively long times. However, most studies in quantum spins chains so far have focused on correlations of single spins. Using the one dimensional XX spin chain, we study exact methods to calculate the correlation functions of the components of the tensor operator involving two spins, Tabi,j = SaiSbj. This operator appear, for example, as a response of inelastic x-ray scattering cross section. Based on Wick\'s theorem, we show that some correlation functions of local components of the tensor operator of two pairs of neighbor sites, in the fermion space, can be written as a combination of Greens functions of a single particle. We have used Feynman diagrams to organize this combination and calculate the correlation functions. Then, considering these propagators for long times and large distances along the light cone, we found the behavior of these correlation functions as a oscillatory and power law decay on time. A direct application of correlation functions is to study conserved and non-conserved quantities, and such analysis has been made. We also considered other two-spin operators which are not local in the fermionic representation. In this case the calculation is more challenging, but the time-dependent correlation functions can be expressed in terms of Fredholm determinants.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18774号 / 理博第4032号 / 新制||理||1581(附属図書館) / 31725 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)教授 川上 則雄, 教授 佐々 真一, 教授 高橋 義朗 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

The charge and spin density correlations in a one dimensional electron gas (1DEG) confined in a semiconductor quantum wire structure at zero temperature are studied. The dielectric formulation of the many--body problem is employed and the longitudinal dielectric function, local-field correction, static structure factor, pair correlation function, ground state energy, compressibility, spin-dependent effective interaction potentials, paramagnon dispersion and static spin response function of the 1DEG are computed within the self-consistent field approximations of Singwi et al., known as the STLS and SSTL. The results are compared with those of other groups, and those obtained for two-dimensional electron gas systems whenever it is possible. It is observed that the SSTL satisfies the compressibility sum rule better than the STLS. Calculating the ground state energy of the 1DEG in unpolarized and fully polarized states, it is shown that both STLS and SSTL predict a Bloch transition for 1DEG systems at low electron densities. Finally, the coupled plasmon-phonon modes in semiconductor quantum wires are calculated within the Fermi and Luttinger liquid theories. The coupling of electrons to bulk longitudinal optical phonons without dispersion and to acoustic phonons via deformation potential with a linear dispersion are considered. Using the dielectric formalism, a unified picture of the collective coupled plasmon-phonon modes is presented. Considerable differences between the predictions of the Fermi and Luttinger liquid approaches at large wave vector values, which may be observed experimentally, are found.

Consideramos os efeitos de desordem ou aperiodicidade sobre três sistemas magnéticos distintos. Inicialmente, apresentamos um modelo fenomenológico para descrever a dependência térmica da magnetização remanente induzida por diluição numa classe de antiferromagnetos quase-unidimensionais. O modelo trata exatamente as correlações ao longo da direção dominante, levando em conta as demais interações por meio de um campo efetivo. Em seguida, utilizamos uma aproximação autoconsistente de Bethe-Peierls para avaliar os efeitos de um campo cristalino aleatório sobre os diagramas de fases de um modelo de Ising de spins mistos. Mostramos que a desordem é capaz de modificar a natureza dos pontos multicríticos existentes no limite uniforme do modelo. Finalmente, estudamos os efeitos de interações aleatórias ou aperiódicas sobre o comportamento da cadeia XX quântica em baixas temperaturas, através de câlculos numéricos baseados no mapeamento do sistema em um modelo de férmions livres. Apontamos evidências de que, em temperatura zero, existe um único ponto fixo universal, característico de uma fase de singleto aleatório, que governa o comportamento do modelo na presença de interações desordenadas. No caso de interações aperiódicas,obtemos resultados consistentes com previsões de grupo de renormalização, indicando, para uma certa classe de seqüências de substituição, um comportamento semelhante àquele associado à desordem. / We consider effects of disorder or aperiodicity on three different magnetic systems. First, we present a phenomenological model to describe the thermal dependence of the dilution-induced remanent magnetization in a class of quasi-one-dimensional antiferromagnets. The model treats correlations along the dominant direction in an exact way, while including the remaining inte-. i ractions via an effective field. Then, we use a self-consistent Bethe-Peierls ~ j .. approximation to gauge the effects of a random crystal field on the phase diagram of a mixed-spin Ising mode!. We show that disorder may have profound effects on the multicritical behavior associated with the uniform limit of the mo de!. Finally, we study effects of random or aperiodic interactions on the behavior of the quantum XX chain at low temperatures, by performing numerical calculations based on a mapping of the system onto a free-fermion mo de!. . We present evidence that, at zero temperature, there exists a single, universal fixed-point, associated with a random-singlet phase, which governs the behavior of the model in the presence of disordered interactions. In the case of aperiodic interactions, our results are consistent with renormalizationgroup predictions, indicating, for a certain class of substitution sequences, a behavior similar to the one induced by disorder.