Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-10-14T12:48:52Z No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T13:10:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-21T13:10:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-21T13:10:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseVLON.pdf: 12327358 bytes, checksum: 6fe55d85e4aff3ba5318f9671501f27c (MD5) Previous issue date: 2016-03-30 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / In this thesis, the electronic and structural properties of nanostructured systems were studied aiming to get a realistic model for quantum rings, potentially adaptable for quantum dots. To attain these goals, several studies supported by experimental results were carried out that allowed the introduction to the building blocks for the theoretical models such as: the envelope function approach within the k.p approximation in quantum wells, and quantum ring/dot with perpendicular magnetic field and without spin-orbit interaction. In these models, the effects of size, strain and localization were subsequently introduced to understand the ring formation process and their effects in the photoluminescence and magneto-photoluminescence. The experimental results of atomic force microscopy indicated the importance of structural properties and the types of asymmetries possibly found in quantum rings after the growth process. The understanding of these effects and the evidence of the anisotropy in a preferential direction of the ring helped building more realistic models for the potential profiles. Various systems were then studied with success. They also included a controllably magnetic field (both in magnitude and orientation), beside the geometric deformation, making the ring ellipsoidal, and taking into account the spin-orbit interaction. The most realistic model was used to analyze the Berry phase generation and the relative weight of the contribution of each term of the Hamiltonian. / Nesta tese de doutorado, as propriedades eletrônicas e estruturais de sistemas nano estruturados foram estudadas visando a obtenção de um modelo realístico para anéis quânticos potencialmente adaptáveis a pontos quânticos. Para alcançar este objetivo, foram feitos alguns estudos, apoiados por resultados experimentais, que permitiram a construção passo a passo do modelo teórico, como: aproximação da função envelope na representação k.p em poços quânticos e anéis/pontos quânticos com campo magnético perpendicular e sem interação spin-órbita. Nestes modelos, os efeitos do tamanho, tensão e localização foram introduzidos subsequentemente para entender o processo de formação do anel e os resultados apresentados na fotoluminescência e na magneto-luminescência. O resultado experimental da microscopia de força atômica nos levou a analisar a importância das propriedades estruturais e os tipos possíveis de assimetria encontrados em anéis quânticos devido ao processo de crescimento. O entendimento desses efeitos e a evidência de anisotropia em uma direção preferencial do anel ajudou na construção de modelos mais realísticos para os perfis de potencial. Deste modo, vários sistemas foram estudados com sucesso. Eles também possuíam um campo magnético controlável (ambas, magnitude e orientação), além da deformação geométrica, que torna o anel elipsoidal, e a interação spin-órbita. O modelo mais realístico foi usado para analisar a geração da fase de Berry e o peso da contribuição de cada termo do Hamiltoniano.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Nos Ãltimos anos, numerosos avanÃos alcanÃados nas tÃcnicas de crescimento de materiais deram origem à formaÃÃo de vÃrias heteroestruturas de semicondutores, onde se podem confinar elÃtrons e buracos em uma ou mais direÃÃes, atravÃs de barreiras de potencial. Muitos pesquisadores recentemente tÃm estudado estruturas de baixas dimensionalidades, tais como pontos e fios quÃnticos, devido à sua importÃncia em inÃmeras aplicaÃÃes tecnolÃgicas em dispositivos opto-eletrÃnicos como, por exemplo, LASERS, sensores biolÃgicos, diodos e transistores. Um exemplo interessante que à alvo de estudo nesse trabalho à a estrutura chamada anel quÃntico, uma estrutura de confinamento tridimensional obtida apÃs um processo de annealing no crescimento de pontos quÃnticos. No estudo das propriedades opto-eletrÃnicos de anÃis quÃnticos, à de grande importÃncia calcular os nÃveis de energia dos portadores de carga e as funÃÃes de onda a fim de analisar os autoestados do sistema. Desse modo, resolvemos a equaÃÃo de SchrÃdinger independente do tempo para elÃtrons confinados em um anel quÃntico semicondutor na presenÃa de um campo magnÃtico, perpendicular ao plano do anel, utilizando a aproximaÃÃo da massa efetiva. Sob algumas aproximaÃÃes, consideramos que o confinamento dentro da regiÃo do anel à muito forte, tal que o problema à reduzido à variÃvel angular, onde a largura e altura contribuem somente com termos constantes para a energia total. Avaliamos numÃrica e analiticamente o problema do anel na ausÃncia de qualquer forÃa externa, obtendo o Efeito Aharonov-Bohm, no qual o espectro de energia oscila periodicamente com a variaÃÃo do campo magnÃtico. Estudamos tambÃm os efeitos de potenciais perturbativos no espectro de energia de anÃis quÃnticos. Primeiramente, consideramos o caso de um potencial gerado pela aplicaÃÃo de um campo elÃtrico no plano do anel. Encontramos soluÃÃes analÃticas e numÃricas para o problema do anel com e sem um campo magnÃtico axial. Mostramos que a presenÃa de campo elÃtrico ergue a degenerescÃncia angular dos estados de energia do elÃtron, suprimindo as oscilaÃÃes Aharonov-Bohm para os nÃveis mais baixos de energia. Investigamos tambÃm as influÃncias no espectro de energia devido à presenÃa de uma ou mais impurezas positivas localizadas de maneira simÃtrica e assimetricamente ao longo do anel. Para N impurezas igualmente espaÃadas, observamos as oscilaÃÃes Aharonov-Bohm para os estados de menor energia e a formaÃÃo de sub-bandas de energia compostas por N estados, enquanto para sistemas assimÃtricos o efeito nÃo foi visto e os estados que formam as sub-bandas nÃo mais se cruzam. De maneira anÃloga ao caso das impurezas, vimos que a presenÃa de superredes de poÃos de potenciais quadrados acopla os estados de energia em sub-bandas, devido à simetria rotacional do anel quÃntico. Analisamos tambÃm o comportamento das 'minibandas', formadas pelos estados ligados da superrede, com relaÃÃo ao confinamento do potencial e comparamos o espectro de energia com a variaÃÃo do campo magnÃtico para um e mais poÃos quadrados. Por fim, discutimos os efeitos no espectro de energia do exciton no anel quÃntico devido à presenÃa de um campo elÃtrico e de uma impureza negativa. Mostramos que os estados de mais baixa energia do exciton nÃo oscilam quando consideramos o potencial coulombiano de interaÃÃo elÃtron-buraco, mas a presenÃa de uma impureza em certas localizaÃÃes ergue as oscilaÃÃes Aharonov-Bohm, que podem ser suprimidas pela adiÃÃo do campo elÃtrico no plano do anel. Expomos assim o comportamento instÃvel das oscilaÃÃes nas energias excitÃnicas na presenÃa de perturbaÃÃes.

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SOUSA, Duarte José Pereira de. Transporte eletrônico em anéis quânticos de grafeno. 2015. 83 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2016-01-05T19:55:02Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_djpsousa.pdf: 9267324 bytes, checksum: 1dab83c7a9473498a415cb6cb9e5bf4b (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2016-01-05T19:55:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_djpsousa.pdf: 9267324 bytes, checksum: 1dab83c7a9473498a415cb6cb9e5bf4b (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-05T19:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_djpsousa.pdf: 9267324 bytes, checksum: 1dab83c7a9473498a415cb6cb9e5bf4b (MD5) Previous issue date: 2015 / In this work, we propose a current switch device that exploits the phase acquired by a charge carrier as it tunnels through a potential barrier in graphene in the ballistic regime without the need of the presence of a gap in the spectrum. The system acts as an interferometer based on an armchair graphene quantum ring, where the phase difference between interfering electronic wave functions for each path can be controlled by tuning the height of a potential barrier in the ring arms. By varying the parameters of the potential barriers the interference can become completely destructive. We demonstrate how this interference effect can be used for developing a simple graphene-based logic gate. / Neste trabalho, é proposto um dispositivo de controle de corrente que explora a fase adquirida por um portador de carga quando este tunela através de uma barreira de potencial no grafeno no regime balístico sem a necessidade da presença de um gap no espectro de energias. O sistema atua como um interferômetro baseado em um anel quântico de grafeno com bordas armchair, onde a diferença de fase entre as funções de onda para elétrons que tomam diferentes caminhos pode ser controlada através da intensidade das barreiras de potencial nos braços do anel. Variando os parâmetros das barreiras a interferência pode tornar-se completamente destrutiva. É demonstrado como esse efeito de interferência pode ser utilizado para o desenvolvimento de portas lógicas simples baseadas em grafeno.

Submitted by Maike Costa (maiksebas@gmail.com) on 2016-03-18T13:56:29Z No. of bitstreams: 1 arquivo total.pdf: 1539512 bytes, checksum: 4aa510877c1a4800c42aaf9dfdae33d3 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-18T13:56:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivo total.pdf: 1539512 bytes, checksum: 4aa510877c1a4800c42aaf9dfdae33d3 (MD5) Previous issue date: 2015-03-26 / In this thesis, we investigate by the first time the impact of non-inertial effects associated with the rotation of the reference system on charged and neutral particles confined by a quantum ring, which is described by the potential of Tan-Inkson. The contribution of the rotation is introduced by its coupling with angular momentum of the system. We show that the rotation is introduced via a non-minimum coupling to the kinetic part of the Hamiltonian describing the quantum dynamics of systems studied here. Thus, we show that non-inertial effects of the rotation induce on the quantum properties of the particles similar effects generated by a magnetic field. We also investigated the contribution of a screw dislocation on the physical properties of the particles. The topological defect contributes as a torsion source, presenting a contribution similar to the Aharonov-Bohm flux. Besides charged particles (electrons and holes), we also study the effects of rotation on neutral particles in three different scenarios: a neutral particle with a permanent magnetic dipole moment coupled by the Aharanov-Casher interaction; a neutral particle with a permanent electric dipole moment coupled by the interaction proposed by He-McKellar-Wilkens and a neutral particle with an electric dipole moment induced by the field configuration proposed by Wei-Han-Wei. In all three cases it is shown the similarity between the neutral and charged particles. We analyze the non-relativistic quantum dynamics of these particles by solving the Schrödinger equation. In addition to the energy spectrum and wave functions, we calculate the persistent current and the magnetization for the four systems studied here, and we also analyzed, from the expression for the persistent current for quantum rings, the limit case for quantum dots. / Neste trabalho, investigamos pela primeira vez na literatura o impacto de efeitos nãoinerciais associados com a rotação do sistema de referência de partículas carregadas e neutras confinadas por um anel quântico, descrito pelo potencial de Tan-Inkson. A contribuição da rotação é introduzida através de seu acoplamento com o momento angular do sistema. Mostramos que a rotação entra como uma espécie de acoplamento mínimo na parte cinética do Hamiltoniano que descreve a dinâmica quântica dos sitemas em questão. Com isso, mostramos que a rotação induz efeitos típicos de campos magnéticos sobre as propriedades quânticas das partículas. Também investigamos os efeitos da contribuição de uma deslocação tipo-hélice sobre as propriedades físicas das partículas. O defeito topológico contribui como uma fonte de fluxo de torção, tendo um comportamento similar ao do fluxo Aharonov-Bohm. Além de partículas carregadas (elétrons e buracos), estudamos os efeitos da rotação sobre partículas neutras em três cenários diferentes: uma partícula neutra com momento de dipolo magnético permanente acoplado pela interação proposta por Aharanov- Casher; uma partícula neutra com momento de dipolo elétrico permanente acoplada pela interação proposta por He-McKellar-Wilkens e uma partícula neutra como momento de dipolo elétrico induzido pela interação proposta por Wei-Han-Wei. Em todos os três casos mostramos que existe uma estreita analogia entre partículas neutras e carregadas. A metodologia utilizada consiste em analizar a dinâmica quântica não-relativistica dessas partículas via resolução da equação de Schrödinger. Além do espectro de energia e das funções de onda, calculamos as correntes persistentes e a magnetização para os quatro sistemas aqui estudados, e também analizamos, a partir da expressão para a corrente persistes para anéis quânticos, o caso limte para pontos quânticos.

This thesis is devoted to optical properties of Aharonov-Bohm quantum rings in external electromagnetic fields. It contains two problems. The first problem deals with a single-electron Aharonov-Bohm quantum ring pierced by a magnetic flux and subjected to an in-plane (lateral) electric field. We predict magneto-oscillations of the ring electric dipole moment. These oscillations are accompanied by periodic changes in the selection rules for inter-level optical transitions in the ring allowing control of polarization properties of the associated terahertz radiation. The second problem treats a single-mode microcavity with an embedded Aharonov-Bohm quantum ring, which is pierced by a magnetic flux and subjected to a lateral electric field. We show that external electric and magnetic fields provide additional means of control of the emission spectrum of the system. In particular, when the magnetic flux through the quantum ring is equal to a half-integer number of the magnetic flux quantum, a small change in the lateral electric field allows tuning of the energy levels of the quantum ring into resonance with the microcavity mode, providing an efficient way to control the quantum ring-microcavity coupling strength. Emission spectra of the system are calculated for several combinations of the applied magnetic and electric fields.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3834.pdf: 2869870 bytes, checksum: cda4c3f94950b35242f2e16dff60bd42 (MD5) Previous issue date: 2011-08-09 / Universidade Federal de Sao Carlos / The nanoscopic structures with ring topology, or quantum rings, have attracted the interest due to their unique rotational symmetry and the possibility of checking fundamental quantum phenomena. Among them, the study of Aharonov-Bohm interference effects appears with special emphasis. Analytical calculations of the electronic structure of quantum rings were performed for the electron confined in one-dimensional and threedimensional potentials. These calculations were complemented by the electronic structure simulation of the valence band using the k.p method, main objective this work. This theoretical contribution is a part of a collaboration with experimental groups of growth and spectroscopy which deal with problems related to the manipulation of electronic states and spin properties of quantum rings. The ground states of both electrons and holes in quantum dots (quasi-zero-dimensional systems) have zero angular momentum (in the absence of magnetic fields and low fields) and exhibit a diamagnetic response of the spin states in the presence of an external magnetic field. In non-magnetic quantum dots, the spin properties are mainly attributed to the electron spin and the heavy hole. On the other hand, it is assumed that the light holes have a minor role in the properties of the exciton ground state. Our results show that the interband coupling may lead to the angular momentum hybridization of the electronic states, even in the ground state and the the light hole may assume a relevant role. The adaptation and improvement of calculations of the electronic structure using the k.p methods were two of the main objectives of this work. The theoretical tools developed aim to contribute to the establishment of protocols for optimal use and application of such systems. / As estruturas nanoscópicas de topologia anelar, ou anéis quânticos, têm atraído o interesse devido a sua simetria rotacional única e à possibilidade de verificar fenômenos quânticos fundamentais. Dentre eles, o estudo de efeitos relacionados à interferência do tipo Aharonov-Bohm aparece com especial ênfase. Cálculos analíticos da estrutura eletrônica dos anéis quânticos foram realizados para os casos de um elétron confinado em um potencial unidimensional e tridimensional. Estes cálculos foram complementados com a simulação da estrutura eletrônica da banda de valência utilizando o método k.p, que é o objetivo principal do trabalho. Esta contribuição teórica forma parte de uma colaboração com grupos experimentais de crescimento e de espectroscopia onde são tratados problemas relacionados à manipulação de estados eletrônicos e de spin em sistemas quase-zero dimensionais de topologia anelar. O estado fundamental do elétron e do buraco em pontos quânticos (sistemas quase-zero-dimensionais) possui tipicamente momento angular zero (na ausência de campos magnéticos e para campos suficientemente baixos) e exibe uma resposta diamagnética dos estados desdobrados de spin uma vez que um campo magnético externo é aplicado. Nos pontos quânticos não magnéticos as propriedades de spin são fundamentalmente atribuídas aos elétrons e ao buraco pesado. Em contrapartida, se assume que os buracos leves possuem um papel menor nas propriedades do estado fundamental do éxciton. Nossos resultados mostram que o acoplamento entre bandas pode gerar estados com hibridização do momento angular, inclusive o estado fundamental e o papel do buraco leve acaba sendo relevante. A adaptação e melhoramento do cálculo da estrutura eletrônica utilizando métodos k.p foram dois dos objetivos fundamentais deste trabalho. As ferramentas teóricas desenvolvidas visam contribuir para o estabelecimento de protocolos para o uso e aplicação otimizada de tais sistemas.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:13:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 798447 bytes, checksum: d94f874d062caea280c4ce462ab3837a (MD5) Previous issue date: 2011-12-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, we explore the link between geometry and physical properties in 2D quantum rings. With focus on the non-orientable mesoscopic structures, we solve the quantum Möbius strip problem, a quantum ring whose lockdown surface is a Möbius strip, and investigate how the physical properties of those structures answer to the geometric variation of this particular configuration. More precisely, we investigate how the adoption of boundary conditions associated to this specific geometric configuration, in particular, can change the general properties of the 2D quantum rings. In addition, we still study the generalized version of the problem, where the Möbius strip has a finite number n of torsions. / Neste trabalho, exploramos o elo entre geometria e propriedades físicas no caso de anéis quânticos bidimensionais. Com o foco nas estruturas mesoscópicas não-orientáveis, resolvemos o problema da faixa de Möbius quântica, um anel quântico cuja superfície de confinamento é uma faixa de Möbius, e investigamos de que maneira as propriedades físicas de tais estruturas respondem à variação geométrica característica dessa particular configuração de confinamento. Mais precisamente, investigamos o modo pelo qual a adoção de condições de contorno associadas a essa configuração geométrica específica, em particular, pode interferir nas propriedades gerais dos anéis quânticos bidimensionais. Além disso, ainda estudamos a versão generalizada do problema, em que a faixa de Möbius apresenta um número finito n de torções.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, Ã proposto um dispositivo de controle de corrente que explora a fase adquirida por um portador de carga quando este tunela atravÃs de uma barreira de potencial no grafeno no regime balÃstico sem a necessidade da presenÃa de um gap no espectro de energias. O sistema atua como um interferÃmetro baseado em um anel quÃntico de grafeno com bordas armchair, onde a diferenÃa de fase entre as funÃÃes de onda para elÃtrons que tomam diferentes caminhos pode ser controlada atravÃs da intensidade das barreiras de potencial nos braÃos do anel. Variando os parÃmetros das barreiras a interferÃncia pode tornar-se completamente destrutiva. Ã demonstrado como esse efeito de interferÃncia pode ser utilizado para o desenvolvimento de portas lÃgicas simples baseadas em grafeno. / In this work, we propose a current switch device that exploits the phase acquired by a charge carrier as it tunnels through a potential barrier in graphene in the ballistic regime without the need of the presence of a gap in the spectrum. The system acts as an interferometer based on an armchair graphene quantum ring, where the phase difference between interfering electronic wave functions for each path can be controlled by tuning the height of a potential barrier in the ring arms. By varying the parameters of the potential barriers the interference can become completely destructive. We demonstrate how this interference effect can be used for developing a simple graphene-based logic gate.

Orientadores: Peter Alexander Bleinroth Schulz, Ana Luiza Cardoso Pereira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-18T12:03:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BahamonArdila_DarioAndres_D.pdf: 15568018 bytes, checksum: 6b550b7e0291945e86b0152735b9ea2c (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: Neste trabalho analisamos os efeitos das bordas nas propriedades eletrônicas e de transporte em estruturas finitas de grafeno, como nanofitas, pontos quânticos e anéis quânticos de grafeno. Nós focamos essencialmente no acoplamento entre os estados localizados nas bordas externas e estados localizados nas bordas internas, tais como as bordas internas dos anéis, vacâncias ou defeitos estendidos gerados pelas fronteiras de grão. Os cálculos são abordados no formalismo tight-binding para a rede hexagonal do grafeno. Para calcular as propriedades de transporte utilizamos o formalismo de Landauer-Buttiker e as funções de Green da rede. Para anéis quânticos observamos que a evolução dos estados localizados nas bordas internas, em função do campo magnético é oposta à dos estados localizados nas bordas externas. Tanto para anéis quânticos quanto para nanofitas, quando a magnitude do campo magnético gera um comprimento magnético maior do que a metade da separação entre as bordas internas e externas, os estados se acoplam levando à criação de gaps no espectro de auto-energias e ressonâncias de Fano na condutância. Este cenário é enriquecido pelo fato do grafeno ter duas sub-redes (novo grau de liberdade), identi cando que uma mudança na sub-rede dos átomos mais externos ou mais internos dos braços vizinhos de um anel muda a distribuição de carga e que a sub-rede de uma vacância fortemente modifica a forma de linha da condutância em uma nanofita. O mapeamento da densidade local de estados, diferenciada por sub-rede, nos leva a propor uma possível imagem experimental da força de acoplamento, que caracteriza a forma de linha das ressonâncias Fano. Quando consideramos um defeito estendido na rede do grafeno (defeito linear como os recentemente observados experimentalmente) foi encontrado que ele age como uma borda interna, que adiciona um novo canal para elétrons de baixa energia, e que tem aplicações promissórias como um o metálico quântico. Todos os nossos resultados são robustos quando a desordem nas bordas é incluído / Abstract: This work is concerned with the effects of the edges in the electronic and transport properties of nite structures of graphene, such as quantum dots, quantum rings and graphene nanoribbons. We primarily focus on the coupling between states located at the outer edges and states located at the inner edges, as internal edges of rings, vacancies or extended defects generated by the grain boundaries. The calculations are addressed within the tight-binding formalism for the hexagonal lattice. To calculate the transport properties we use the Landauer-B uttiker formalism and the recursive lattice Green's functions. For quantum rings we observed that the evolution of the states located at the inner edges, as a function of magnetic eld is opposite to that of the states located on the outer edges. For quantum rings as well as graphene nanoribbons when the magnitude of the magnetic eld creates a magnetic length larger than a half of the separation between the inner and outer edges, the states are coupled creating gaps in the self-energy spectrum and Fano resonances in the conductance of the graphene nanoribbons. This scenario is enriched when the sublattice is added as a new degree of freedom, identifying that a change in sublattice of the most external or most internal atoms of neighboring arms of a ring changes the charge distribution and the sublattice of a vacancy strongly modify the lineshape of the conductance. Sublattice differentiated Local density of states mapping for different lineshapes leading us to propose a possible experimental imaging of the coupling strength, which characterizes the lineshape of the Fano resonances. When we considered the recently experimentally observed extended defect, we found that it acts as an internal edge, which adds a new channel for low energy electrons, and would have promissory applications as metallic wire. All of our results are robust when edge disorder is included / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências