Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5177.pdf: 16843754 bytes, checksum: 0b2e8c0ee3f79df315d62b9151b7e100 (MD5) Previous issue date: 2013-04-12 / Universidade Federal de Minas Gerais / Avalanches are sudden dramatic phenomena that occur in nature. The technique of magneto-optical imaging (MOI) has allowed us to observe abrupt flux entrances in superconductors, the so-called ux avalanches, due to thermomagnetic instabilities in the vortex matter. Their morphology is fascinating, especially in superconducting thin films, where they develop in dendritic patterns. From a practical point of view, the flux avalanches undermine applications of superconducting thin films. In the last years, however, several steps have been reached to fully understand the fundamental physics of the phenomenon and also on how to suppress their occurrence. The present thesis deals with the study of flux avalanches in structured superconducting thin films. We have studied crystalline Nb and amorphous Mo79Ge21 thin films decorated with arrays of antidots (ADs or holes) produced by electron beam lithography. The magnetic response of these specimens has been investigated by means of MOI, dc magnetization and ac susceptibility. Firstly, we have established a link among those three techniques in the regime dominated by flux avalanches. We have observed that the reentrant behavior in the ac susceptibility at low temperatures occurs as a consequence of flux avalanches. Essentially, there is reuse of the channels created by the first ac cycle in a regime where the signal is weakly dependent on the temperature. Our results show that measurements of ac susceptibility versus ac field amplitude can be used to detect flux avalanches, since the signature of the flux avalanches appears as noisy curves of both ac susceptibility components. As a consequence, the critical current density as a function of temperature [Jc.T ] obtained by using the Bean model whose validity is assured by Cole-Cole plots is smooth for higher temperatures and, below a certain temperature onset, a non-smooth and noisy behavior takes place due to the avalanches. The temperature dependence of Jc.T,H was determined for different values of the applied magnetic field. The stability/instability frontier was then identified as the limiting temperature below which the curve Jc.T,H becomes noisy, indicating the occurrence of avalanches. Associated with this limiting temperature, the threshold critical current density to trigger avalanches is essentially independent of the magnetic field. This frontier corresponds to the upper threshold limit for the occurrence of avalanches. The effect in a thin film of a graded distribution of ADs which follows nearly the flux profile described by the Bean model has been studied. Compared to the uniform distribution, there is an increase of the critical current density at low fields. Moreover, viii the flux avalanches, highly induced by the presence of an array of ADs, have their activity reduced in temperature and magnetic field. For the first time, flux avalanches have been visualized in amorphous Mo79Ge21 thin film, both in plain and decorated thin films. Finally, we have investigated the influence of the lattice symmetry and AD geometry on the flux avalanche morphology. We have observed avalanches with the habit of forming trees where the trunk is parallel to the main axis of the square lattice and the branches form angles of 45 degrees. In addition to that, we have found an anisotropic penetration in a Nb thin film decorated with a square lattice of triangular ADs. Besides that, a sample having one half of the ADs in the form of squares, and the other half being circles, has been observed to present avalanches of different morphologies on each of its halves. We have also studied an a-MoGe thin film with a centered rectangular 2D Bravais lattice with square ADs which shows penetrations with different angles depending on the edge. The overall features of the avalanches, and in particular the 45-degree direction of the branches, have been confirmed by numerical simulations using the thermomagnetic model. Superconductivity, structured thin films, flux avalanches, magneto-optical imaging. / Avalanches são eventos repentinos e dramáticos que ocorrem na natureza. A técnica de imageamento por magneto-ótica (MOI) tem permitido visualizar a penetração abrupta de fluxo em supercondutores, as chamadas avalanches de fluxo, que ocorrem devido a instabilidades termomagnéticas na matéria de vórtices. A morfologia dessas avalanches de fluxo em filmes finos supercondutores prístinos é singular e se desenvolve de maneira dendrítica, isto é, com ramificações. Do ponto de vista prático, as avalanches de fluxo são prejudiciais para aplicações dos filmes finos supercondutores. Nos últimos anos, no entanto, tem-se alcançado um bom entendimento da física básica do fenômeno, bem como maneiras para suprimir essas avalanches. Esta tese trata do estudo de avalanches de fluxo em filmes finos com uma estrutura de defeitos. Para tal, usamos filmes finos cristalinos de Nb e amorfos da liga Mo79Ge21 decorados com arranjos de antidots (ADs), ou buracos, produzidos por litografia por feixe de elétrons. A resposta magnética desses filmes foi investigada através de MOI, magnetização dc e suscetibilidade ac. Na primeira parte dos resultados, uma conexão entre essas técnicas foi estabelecida no regime de avalanches de fluxo. Foi observado que o comportamento reentrante da suscetibilidade ac em baixas temperaturas ocorre devido `as avalanches de fluxo. Essencialmente, há o reuso dos caminhos ou canais criados pelo primeiro ciclo ac em um regime em que o sinal é fracamente dependente da temperatura. Esses resultados também mostraram que a suscetibilidade ac pode ser usada para detectar avalanches de fluxo, seja pela construção da curva de corrente critica dependente da temperatura Jc.T ou monitorando o ruído nas curvas do tipo Cole-Cole. Assim, a fronteira de instabilidades termomagnéticas/estabilidade foi construída variando-se o campo dc aplicado, tendo sido obtido, um limiar constante de Jc.T para o disparo das avalanches. Essa observação está de acordo com o modelo termomagnético e refere-se ao limite superior da ocorrência das avalanches de fluxo. Também foi estudado o efeito da inserção de um arranjo de antidots distribuídos de maneira gradiente, que segue aproximadamente a distribuição de fluxo descrita pelo Modelo de Bean. Comparada com uma distribuição uniforme, um aumento da densidade de corrente crítica foi observada para a região de baixos campos. Além disso, as avalanches de fluxo, que são altamente induzidas pela presença de ADs, apresentaram uma redução em sua ocorrência, tanto em magnitude do campo magnético aplicado quanto em temperatura. Pela primeira vez, foram observadas avalanches de fluxo em filmes finos amorfos de Mo79Ge21 com e sem uma rede de ADs. x Por fim, a influência da simetria da rede e da geometria do antidot na morfologia das avalanches de fluxo foi investigada. Para filmes finos decorados com uma rede quadrada de ADs quadrados, as avalanches têm o tronco paralelo ao eixo principal da rede de ADs, com ramificações em ângulos de 45 graus como em uma árvore de Natal. Além disso, penetrações abruptas anisotrópicas foram vistas em um filme fino de Nb decorado com uma rede quadrada de ADs triangulares. Uma mudança na morfologia das avalanches também foi observada em um filme com metade dos ADs quadrados e a outra metade circular. Também foram observadas penetrações com diferentes ângulos em uma rede retangular centrada de ADs quadrados dependendo da borda. Por fim, as características gerais das avalanches, em particular a de ramificações em 45 graus, foram confirmadas por simulações numéricas usando o modelo termomagnético.

In the present work the Roth s two-pole approximation (Phys. Rev. 184, 451 (1969)) has been used to investigate the role of d− p hybridization in the normal and superconducting states of an extended d− p Hubbard model. Superconductivity with singlet dx2−y2 -wave pairing is treated by following Beenen and Edwards formalism (Phys. Rev. B 52, 13636 (1995)). In the first part of this work, the effects of the hybridization on the superconductivity, in the hole-doped regime, have been studied treating Roth s band shift within two different approximations. In the first one, the band shift has been calculated in the limit U →¥ (U is the Coulomb interaction), with zero temperature and without consider the superconducting effects. These regards, are restrict to the band shift. In the other parts of the problem, U, the temperature and the superconducting effects have been considered finites. In the second approximation, the Coulomb interaction, the temperature and the superconductivity have been considered in the calculation of some relevant correlation functions present in the Roth s band shift. The obtained results show that the hybridization acts in the sense of to suppresses the superconductivity. Also, it has been verified that the first approximation overstimates the effects of the hybridization on the superconductivity. In the second part of these work, hoppings to second-nearest-neighbors have been included in the model with the purpose of reproduces adequately the asymetries (mainly those related with the Fermi surface, band structure and phase diagram) between the hole- and electron-doped systems. Particularly, it is shown that the crossover from hole-like to electronlike Fermi surface is deeply affected by the d − p hybridization in the hole doping case. It has been verified that the effect of the hybridization is most pronounced around the saddle-points, where the superconducting gap is maximum in the particular case of dx2−y2 -wave symmetry. As a consequence, the critical temperature Tc is directly affected by the hibridization. Moreover, the obtained results suggest that in the hole doped regime, the hybridization may act on the transport properties of the system due to the sign changes of the Hall coefficient when the crossover of the Fermi surface occurs. In the electron doped case, the crossover in the Fermi surface is not verified. Nevertheless, as the hybridization suppresses the density of states near the Fermi level, the superconductivity is affected. The topology of the Fermi surface in the hole and electron doping regime agree with recent experimental ARPES results for La2−xSrxCuO4 (hole doping) and Nd2−xCexCuO4 (electron doping). / Neste trabalho, foi usada a aproximação de dois-pólos proposta por L. Roth (Phys. Rev. 184, 451 (1969)), para investigar os efeitos da hibridização no estado normal e no estado supercondutor de um modelo de Hubbard d − p. Para tratar supercondutividade com simetria dx2−y2 , usou-se o procedimento de fatorização proposto por Beenen e Edwards (Phys. Rev. B 52, 13636 (1995)). Na primeira parte do trabalho, os efeitos da hibridização sobre a upercondutividade, foram investigados considerando-se duas aproximações diferentes para calcular o deslocamento de banda. O deslocamento de banda surge quando tratamos as equações de movimento das funções de Green através do método de L. Roth. Na primeira aproximação o deslocamento foi calculado para U →¥ (U ´e a interação coulombiana), temperatura igual a zero, e sem incluir os efeitos da supercondutividade. É importante destacar que essas considerações foram feitas apenas no deslocamento, as outras partes do problema foram tratadas considerando finitas, as quantidades citadas acima. Na segunda aproximação, o deslocamento de banda foi estudado incluíndo-se os efeitos de U, da temperatura e da supercondutividade. Nos dois casos observou-se que a hibridização atua no sentido de suprimir a supercondutividade. Verificou-se também que na primeira aproximação considerada no cálculo do deslocamento de banda, os efeitos da hibridização sobre a supercondutividade, são superestimados. Isso ocorre porque certas funções correlação presentes no deslocamento de banda desaparecem no limite U →¥. Na segunda parte deste trabalho, incluiu-se no modelo, um termo de salto ( hopping ) para os segundos vizinhos de um sítio i. Esse termo foi ncluído com o objetivo de reproduzir adequadamente as assimetrias entre o regime de dopagem por buracos e o regime de dopagem por elétrons. No caso particular de dopagem por buracos, observou-se que a mudança na natureza da superfície de Fermi de buraco para elétron, profundamente afetada pela hibridização. Além disso, verificou-se que o efeito da hibridização ´e mais intenso nas regiões dos pontos de sela, nas quais o gap supercondutor ´e máximo devido à simetria dx2−y2 . Com isso, a temperatura crítica de transiçãoo (Tc) do estado normal para o estado supercondutor, também é afetada pela hibridização. Os resultados sugerem também, que no caso de dopagem por buracos, a hibridização interfere no valor de dopagem em que ocorre a mudança no sinal do coeficiente Hall, portanto deve afetar também as propriedades de transportes do sistema. No caso de dopagem por elétrons, não foi verificado nenhuma mudança na natureza da superf´ıcie de Fermi. No entanto, como a hibridização aumenta a largura das bandas e dimimui a densidade de estados no nível de Fermi, neste caso a supercondutividade também é afetada. A topologia da superfície de Fermi nos regimes de dopagen por buracos e por elétrons concorda bem com resultados experimentais de ARPES obtidos recentemente para o composto La2−xSrxCuO4 (dopado por buracos) e para o composto Nd2−xCexCuO4 (dopado por elétrons).

Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-09-19T18:31:46Z No. of bitstreams: 1 TeseMGS.pdf: 2043252 bytes, checksum: a70365d13804598ad8c94cb75631f81d (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-20T14:01:52Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseMGS.pdf: 2043252 bytes, checksum: a70365d13804598ad8c94cb75631f81d (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-20T14:01:58Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseMGS.pdf: 2043252 bytes, checksum: a70365d13804598ad8c94cb75631f81d (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-20T14:02:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseMGS.pdf: 2043252 bytes, checksum: a70365d13804598ad8c94cb75631f81d (MD5) Previous issue date: 2015-02-11 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Superconductivity one of the most intriguing physical phenomena has been extensively studied due to their potential for technological applications. Despite advances in research in physics there is still no complete theory to explain the phenomenon. We study the behavior of a superconducting system described by a multiband model. We consider the interband interaction, i.e., the interaction is between the fermions with dierent masses at dierent bands, under the inuence hybridization. Also, we study the intraband interaction with hybridization and external magnetic eld. Using the method of Green's functions of Zubarev, we calculate the superconducting order parameters with intra-and interbanda interaction at zero temperature, ie, T = 0, and for dierent temperatures of zero. Interband interaction obtained in the superconducting order parameter as a function of temperature and hybridization V. The phase diagram T versus V was also obtained. The superconducting properties, such as free energy, entropy and specic heat, were also determined in the intraband interaction. Initially, we calculate the superconducting properties in zero eld, ie, for H = 0, then we consider the presence of external magnetic eld H nonzero. obtained an implicit equation that relates the magnetic field, temperature and hybridization, which allowed us to obtain the phase diagram T versus T and T versus V . Our results show that both the hybridization V , as the external magnetic field H acts at the expense of superconductivity by suppressing it. We noticed also, and conrmed by other studies, that the intraband interaction, we have only second order transition, since the interaction interbanda, we obtained a superconducting tricritico point where we encounter a line first with a second order. Based on these results, we conclude that left a signicant contribution to research in superconductivity. / A supercondutividade, um dos fenômenos mais intrigantes da fisica, vem sendo extensivamente estudada, devido ao seu potencial para aplicações tecnológicas. Apesar do avanço nessa área de pesquisa, como a teoria BCS, teoria microscópica que explica os supercondutores convencionais, ainda não há uma teoria completa que explique os não convencionais. Neste trabalho estudamos o comportamento de um sistema supercondutor descrito por um modelo multibandas, pois é uma extensão da teoria BCS a qual descreve bem os supercondutores de baixas temperaturas. Consideramos a interação interbanda, isto é, a interação se da entre férmions que apresentam propriedades diferentes, tais como, massas distintas, ou mesma massa, mas comportamentos diferentes que se encontram em diferentes bandas, sob a influência da hibridização. Tambem, estudamos a interação intrabanda com hibridização e campo magnético externo. Usando o método das funções de Green de Zubarev, calculamos os parâmetros de ordem supercondutor para as interações intra e interbanda a temperatura nula, isto é, T = 0 (transições quânticas), e para temperaturas finitas (transições térmicas ou clássicas) afim de obtermos um estudo completo do sistema. Na interação interbanda obtivemos o parâmetro de ordem supercondutor em função da temperatura e da hibridização V . O diagrama de fase T versus V também foi obtido. As propriedades supercondutoras, tais como energia livre, entropia e calor especifico, também foram determinadas na interação intrabanda. Inicialmente, calculamos as propriedades Supercondutoras a campo nulo, isto é, para H = 0, em seguida, consideramos a presença do campo magnético externo H diferente de zero. Obtivemos uma equação implícita que relaciona o campo magnético, temperatura e hibridização, o que nos permitiu obter o diagrama de fase T versus H e T versus V . Nossos resultados mostram que tanto a hibridização V , quanto o campo magnético externo H atuam em detrimento da supercondutividade, suprimindo-a, concordando com outros trabalhos, apesar de não ser isso geral, uma vez que alguns trabalhos mostram que V contribui para a supercondutividade até um determinado valor e para outros valores, suprime-a. Percebemos também que tanto na interação interbanda, quanto na interação intrabanda temos transições de primeira e segunda ordem e um ponto tricritico, no qual temos o encontro de uma linha de primeira ordem com uma de segunda ordem.

Orientador: Iakov Veniaminovitch Kopelevitch / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-13T05:43:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 GutierrezYatacue_DiegoFernando_M.pdf: 13276293 bytes, checksum: 707c38ac7116b9830e881ac37cc37b9e (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: No intuito de verificar a existência de correlações supercondutoras em grafite, estudamos a possível existência do fenômeno conhecido como efeito de proximidade gigante em amostras de grafite pirolítica altamente orientada (HOPG). Medidas de magneto-transporte realizadas em amostras de HOPG com eletrodos supercondutores de In ou In-Pb revelaram a ocorrência de efeito de proximidade em uma escala muito maior que o comprimento de coerência dos eletrodos supercondutores, o que indica que a grafite pode ser considerada um supercondutor com flutuações de fase. Além disso, nossos estudos revelaram uma supressão do efeito de proximidade para campos magnéticos da ordem de 1 kOe aplicado perpendicularmente aos planos de grafite. Adicionalmente, realizamos estudos comparativos do efeito de proximidade em bismuto metálico. Discutimos os resultados obtidos em termos de modelos teóricos propostos para este assunto. / Abstract: In order to verify the existence of superconducting correlations in graphite, in this work we studied the possibility of the so-called giant proximity effect in highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) samples. Magnetoresistance measurements performed on various thoroughly characterized HOPG samples with attached superconducting In or Pb-In electrodes revealed the occurrence of proximity effect on a scale much bigger than a coherence length of superconducting electrodes, indicating that graphite can be considered as a phase-fluctuating superconductor, indeed. Besides, our studies revealed a suppression of the proximity effect in magnetic field H ~ 1 kOe applied perpendicularly to graphene planes. Additionally, we performed comparative studies of the proximity effect in semimetallic bismuth. We discuss the obtained results in terms of available theoretical models. / Mestrado / Física da Matéria Condensada / Mestre em Física

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Currently, several research groups have been devoted to the production of superconducting films. This interest lies on the facility of their manipulation, on the understanding of basic concepts of the superconductivity and, especially, in the possibility of reducing them to dimensions compatible to their application as devices. Therefore, there is a great technological and academic interest in this issue. The most used material in superconducting devices is the niobium (Nb) and its alloys. Although Nb has been known as superconductor since 1930, the interest in excellent films of this material still remains. In this work, using a DC magnetron sputtering technique, we have developed an experimental method that allows one to produce superconducting Nb films of good quality - transition temperature of 9.1 K and transition width of 0.2 K. Therefore, we performed a systematic study of the setup parameters that influences the structural and superconducting properties of the films. In particular, we have analyzed the evolution of the lattice parameter, average grain size crystalline and critical temperature. Such values have been compared in a diagram. Nb films exhibit flux avalanches at certain values of field and temperature. We have detected and visualized the occurrence of avalanches of magnetic flux in Nb films and, in order to suppress the abrupt flux penetration, we have coupled to the films of thickness of 200 nm, thick metal layers of aluminum, silver and copper of different thicknesses, so called hybrid systems - Superconductor/Normal Metal. In this work piece, two experimental techniques have been employed: magnetometry and magneto-optical imaging. A partial suppression of avalanches in the hybrid systems has been observed. / Atualmente, diversos grupos de pesquisa têm se dedicado à fabricação de filmes supercondutores. O interesse reside na facilidade de manipulação, no entendimento de conceitos básicos do fenômeno da supercondutividade e, principalmente, na possibilidade de reduzi-los a dimensões compatíveis à aplicação como dispositivos. Portanto, há um grande interesse acadêmico e tecnológico nesta área. O material mais utilizado na construção de dispositivos supercondutores é o nióbio (Nb) e suas ligas. Apesar do Nb ser conhecido como supercondutor desde 1930, o interesse em excelentes filmes desse material ainda persiste. Neste trabalho, utilizamos a técnica de magnetron sputtering DC, com a qual estabelecemos uma rotina experimental que possibilitou produzir filmes supercondutores de Nb de boa qualidade - temperatura crítica de 9,1 K e largura de transição de 0,2 K. Para tanto, realizamos um estudo sistemático de como os valores dos parâmetros experimentais influenciam nas propriedades estruturais e supercondutoras dos filmes. Em particular, analisamos a evolução do parâmetro de rede, do tamanho médio dos grãos cristalinos e da temperatura crítica com os valores das variáveis de deposição e, por conseguinte, comparamos esses valores em um diagrama. Filmes de Nb exibem avalanches de fluxo magnético quando submetidos a certos valores de campo e temperatura. Detectamos e visualizamos a ocorrência de avalanches de fluxo magnético nos filmes de Nb produzidos e, com o intuito de suprimir as penetrações abruptas de fluxo, acoplamos a filmes de 200 nm de espessura camadas metálicas de alumínio, prata e cobre de diferentes espessuras, denominados sistemas híbridos - Supercondutor/Metal Normal. Este estudo foi conduzido por meio de duas técnicas experimentais: magnetometria volumétrica e imageameto magneto-ótico. Observamos uma supressão parcial das avalanches de fluxo magnético nos sistemas híbridos.

Orientador: Eduardo Miranda / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-09-01T08:41:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Almeida_DalsonEloy_D.pdf: 2470369 bytes, checksum: 93d3b945f62f374cfd686217575dda95 (MD5) Previous issue date: 2017 / Resumo: Nesta tese estudamos a relação entre antiferromagnetismo e supercondutividade em pnictídeos à base de ferro. Este estudo será feito através da análise de uma energia livre de Ginzburg-Landau de parâmetros de ordem acoplados que será derivada de um modelo microscópico. Em particular, estamos interessados em saber se a transição entre os estados ordenados é de primeira ordem ou se as duas ordens podem coexistir. Para o caso de supercondutividade convencional as duas fases puras nunca coexistem. Entretanto, quando a supercondutividade é não-convencional e a condição de nesting perfeito não é satisfeita, pode haver um regime intermediário de coexistência microscópica das duas ordens. Nesta nova fase termodinâmica, as simetrias de rotação no espaço de spins, de reversão temporal e U(1) são quebradas simultânea e localmente. Logo, os canais de supercondutividade singleto e tripleto se misturam quanticamente. Em outras palavras, uma componente tripleto secundária do estado supercondutor é gerada. Os diagramas de fases do sistema são apresentados e analisamos também como flutuações magnéticas, acima da temperatura de Néel pura, afetam a temperatura de transição tripleto. Investigamos também o efeito da magnetização alternada no efeito Josephson, i.e., na supercorrente que flui através de uma junção entre dois supercondutores na fase de coexistência. Por fim, mas não menos importante, estudamos o efeito de proximidade em uma interface entre um supercondutor e um antiferromagneto. Veremos que os pares de Cooper podem penetrar a região magnética e em consequência, uma componente tripleto é induzida próximo da interface / Abstract: In this thesis, we study the interplay between antiferromagnetism and superconductivity in iron pnictides. This study will be done analyzing a free energy of coupled order parameters which will be derived from a microscopic model. In particular, we are interested if the phase transition between the ordered states is first order or if the two orders can coexist. For the case of conventional superconductivity, the two phases cannot coexist. However, when superconductivity is unconventional and the perfect nesting condition is not satisfied, there can exist an intermediary state of microscopic coexistence of the two orders. In this new thermodynamic phase, spin rotation, time reversal and U(1) symmetries are simultaneously and locally broken. Therefore, the singlet and triplet superconductivity channels are quantum mechanically mixed. In other words, a secondary triplet component is generated. The phase diagrams of the system are presented and we also analyze the effect of magnetic fluctuations above the pure Néel temperature on the triplet temperature transition. We also investigate the effects of the staggered magnetization on the Josephson effect, i.e., on the supercurrent that flows through a junction of two superconductors in the coexistence phase. Last, but not least, we study the proximity effect at an interface between a superconductor and an antiferromagnet. We will see that the Cooper pairs can penetrate the magnetic region and consequently a triplet component is induced near the interface / Doutorado / Física / Doutor em Ciências / 140834/2013-3 / 2342/15-4 / CNPQ / CAPES / BEX

[pt] A geometria quântica na física da matéria condensada nos permite entender várias propriedades geométricas dos estados da zona de Brillouin, como a curvatura de Berry e a métrica quântica. Especialmente em relação a esta última, foram observados estudos que mostram sua relação com a supercondutividade. Motivados por estas investigações, esta dissertação visa investigar as propriedades geométricas quânticas de supercondutores singletos, como os tipos s-wave e d-wave, e identificar sua relação com várias respostas eletromagnéticas. Começamos mostrando a descrição desses supercondutores através da teoria do campo médio, posteriormente analisando sua métrica quântica, que é definida pela sobreposição de dois estados de quasihole em momentos ligeiramente diferentes. Subsequentemente, estudamos o número de fidelidade, que é definido como a integração de momento da métrica quântica e representa a distância média entre estados de quasihole vizinhos. Além disso, expressamos esse número de fidelidade como um marcador de fidelidade definido localmente em cada sítio da rede, o que nos permite observar o efeito de impurezas não magnéticas nesse marcador. Para supercondutores de tipo s-wave, mostramos que respostas eletromagnéticas como a absorção no infravermelho estão relacionadas à métrica quântica, enquanto, por outro lado, a corrente paramagnética e a função dielétrica estão relacionadas ao número de fidelidade, que por sua vez é determinado pelo comprimento de coerência. Por outro lado, para supercondutores de tipo d-wave, observamos que sua métrica quântica mostra um comportamento singular e que seu número de fidelidade diverge. O resultado mais relevante desta dissertação é que descobrimos que supercondutores singletos, descritos pela teoria do campo médio BCS, exibem uma métrica quântica não trivial, e que para supercondutores de tipo s-wave as respostas eletromagnéticas mencionadas estão diretamente relacionadas à geometria quântica, o que não havia sido encontrado anteriormente. / [en] Quantum geometry in condensed matter physics allows us to understand various geometric properties of the Brillouin zone states, such as the Berry curvature and the quantum metric. Especially in relation to the latter, studies have been observed that show its relationship with superconductivity. Motivated by these investigations, this dissertation aims to investigate the quantum geometric properties of singlet superconductors, such as s-wave and d-wave types, and identify their relation to various electromagnetic responses. We begin by showing the description of these superconductors through mean field theory, subsequently analyzing their quantum metric, which is defined by the overlap of two quasihole states at slightly different momenta. Subsequently, we study the fidelity number, which is defined as the momentum integration of the quantum metric and represents the average distance between neighboring quasihole states. Furthermore, we express this fidelity number as a fidelity marker defined locally at each lattice site, which allows us to observe the effect of non-magnetic impurities on this marker. For s-wave superconductors, we show that electromagnetic responses such as infrared absorption are related to the quantum metric, while on the other hand, the paramagnetic current and the dielectric function are related to the fidelity number, which in turn is determined by the coherence length. On the other hand, for d-wave super-conductors, we observe that their quantum metric shows a singular behavior and that their fidelity number diverges. The most relevant result of this dissertation is that we have discovered that singlet superconductors, described by the BCS mean field theory, exhibit a nontrivial quantum metric, and that for s-wave superconductors the aforementioned electromagnetic responses are directly related to the quantum geometry, which has not been found previous.

FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / O conhecimento teórico e experimental acumulado nas últimas décadas sobre pontos quânticos semicondutores (PQs) impulsiona o surgimento de um grande número de propostas atuais de utilizá-los em sistemas híbridos. A habilidade de controlar suas propriedades optoeletrônicas, bem como o domínio de sofisticadas técnicas de fabricação, tornaram-os candidatos ideais para formar junções com supercondutores (SCs), cujas características individuais são também notáveis. Essas junções podem ser simples, com um único PQ acoplado a um SC, ou múltiplas: a conexão de dois terminais SCs através de um PQ (junção tipo Josephson) e a junção de dois PQs através de um SC. Esta última forma um separador de pares de Cooper, dispositivo sugerido como fonte de partículas emaranhadas, que depende fundamentalmente da ocorrência de reflexão de Andreev cruzada (CAR) nas interfaces da junção. Junções de PQs com SCs e com supercondutores topológicos também tem sido propostas em sistemas de dois níveis formando qubits para a computação quântica trivial e topológica. Embora o estudo das junções PQ-SC esteja em evidência atualmente, a revisão da literatura mostra que a análise do regime transiente foi pouco explorada. Por isso, abordamos neste trabalho o transporte de cargas em uma junção PQ-SC-PQ com resolução temporal. Utilizando técnicas de função de Green de não-equilíbrio, particularmente, o formalismo de Kadanoff-Baym, escrevemos um conjunto de equações diferenciais acopladas, solucionado numericamente. Analisando as oscilações de Rabi que surgem na evolução temporal da corrente elétrica e das ocupações dos PQs, fomos capazes de identificar assinaturas de mecanismos de espalhamento através da junção, isto é, o tunelamento direto e a CAR. Adicionalmente, propusemos a expansão deste sistema pela sua inserção na estrutura de um fotodiodo, aplicando luz laser sobre um dos PQs. Os resultados mostram que ocorre a separação dos níveis opticamente excitados em dubletos de Autler-Townes, para acoplamentos fracos entre os PQs. Consequentemente, é observada a ocorrência de CAR, mediada pelo laser aplicado, através dos níveis que compõe o dubleto. Os resultados tem dependência também com a tensão fonte-dreno aplicada ao dispositivo, que pode estar no limite de bias alta (HB) ou zero (ZB). Este é o primeiro trabalho a analisar a separação de pares de Cooper assistida por fótons em uma junção PQ-SC-PQ, em regime de não-equilíbrio. Embora os resultados experimentais ainda sejam escassos, a inclusão de um SC em um fotodiodo de PQs híbrido permite novos mecanismos de formação de fotocorrente, abrindo novas possibilidades de aplicações desse sistema. / The theoretical and experimental knowledge accumulated in the last decades on semiconductors quantum dots (QDs) impulses the emergence of many current proposals for using them in hybrid systems. The ability to control their optoelectronic properties, as well as the control of fabrication techniques, made them the perfect candidates to compose junctions with superconductors (SCs), whose individual characteristics are also remarkable. These junctions can be simple, with a single QD coupled to a SC, or multiple: a connection of two superconducting terminals through a QD (a Josephson-like junction) and the junction of two QDs through a SC. The latter is known as a Cooper-pairs splitter, a device suggested as a source of entangled particles, for which is required the occurrence of crossed Andreev reflection (CAR) on the interfaces of the junction. Junctions of QDs with SCs and with topological SCs have also been proposed in two-level systems as qubits for both trivial and topological quantum computation. Despite the study of QD-SC junctions being currently in evidence, the literature review shows that the analysis of transient regime was little explored. Therefore, we address in this work the topic of time-dependent charge transport in a QD-SC-QD junction. By using non-equilibrium Green functions techniques, particularly, the Kadanoff-Baym formalism, we write down a set of coupled differential equations, which is numerically solved. Examining the Rabi oscillations that appears on the time evolution of electric current and QDs occupations, we were able to identify signatures of the scattering mechanisms through out the junction, i. e., direct tunnelling and CAR. Additionally, we propose to use this system as a photodiode, with the aid of a laser beam over one of the QDs. The results show the splitting of the optically excited states in Autler- Townes doublets, for a weak coupling between the QDs. Hence, CAR mediated by the applied laser was observed through the energy levels that compose the doublet. The results depend also with the source-drain potential applied to the device, which can be high bias (HB) or zero bias (ZB). The present work is the first to analyse the splitting of Cooper pairs assisted by photons in a QD-SC-QD junction, in nonequilibrium regime. Although the experimental results are still sparse, the inclusion of a SC in a QD hybrid photodiode allows new mechanisms of photocurrent formation, creating possibilities in future applications. / Tese (Doutorado)