We have studied the electron quantum phase by fabricating low dimensional (d ≤ 2) mesoscopic interferometers in high-quality narrow-gap semiconductor (NGS) heterostructures. The low effective-mass electrons in NGS heterostructures enable observation of delicate quantum phases; and the strong spin-orbit interaction (SOI) in the systems gives us means by which we can manipulate the quantum-mechanical spin of these electrons through the orbital properties of the electrons. This enables the observation of spin-dependent phenomena otherwise inaccessible in non-magnetic systems. We have performed low temperature (0.4 K ≤ T ≤ 8 K), low noise (â V ~ 1μV ) transport measurements, and observed evidence of Aharonov-Bohm (AB) and Alâ tshuler-Aronov-Spivak (AAS) quantum oscillations in meso- scopic devices that we fabricated on these NGSs. Our measurements are unique in that we observe both AB and AAS in comparable magnitude in ballistic networks with strong SOI. We show that, with appropriate considerations, diffusive formalisms can be used to describe ballistic transport through rings, even in the presence of SOI. This work also contains an introduction to the physics of geometric phases in mesoscopic systems, and the experimental and analytic processes through which these phases are probed. A discussion of the results of our measurements presents the case that quantum interferometric measurements of geometric phases can be understood quite thoroughly, and that these measurements may have deeper utility in discovery than has yet been recognized. / Ph. D.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ramon F Costa.pdf: 10031939 bytes, checksum: 0a248edab54bf52531ad1b840500611c (MD5) Previous issue date: 2016-03-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work we present the Aharonov-Bohm effect, as well as its implications. We also present the self-adjoint extension, an important tool in quantum mechanics. This work's main objective is to investigate the relation between the self-adjoint extension parameter and the Aharonov-Bohm system's parameters. Of particular interest is the relation between the self-adjoint extension parameter and the electron's anomalous magnetic dipole moment. This is done by comparison between two self-adjoint extension methods: Bulla-Gesztesy's and Kay-Studer's. We obtain the mathematical relation between the aforementioned quantities and conclude that the chosen methods are suitable to accomplish our goals. / Neste trabalho é apresentado o efeito e sistema de Aharonov-Bohm, além de suas implicações. Trata-se também da extensão autoadjunta de operadores em mecânica quântica. O principal objetivo é a investigação da relação entre o parâmetro da extensão autoadjunta do Hamiltoniano do sistema de Aharonov-Bohm, que tem origem matemática, e a física desse sistema. Interesse particular é dado à busca da relação entre o parâmetro da extensão e a anomalia do momento magnético do elétron. Para tal são usados dois métodos de extensão autoadjunta: o de Bulla-Gesztesy e o de Kay-Studer. A expressão matemática procurada é obtida, além de expressões para as energias dos estados ligados do sistema. Conclui-se que os métodos utilizados são adequados para atingir os objetivos propostos.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 6767.pdf: 16621562 bytes, checksum: 66df3d9efcbf65c2d47f601b4ef3f3c0 (MD5) Previous issue date: 2015-04-01 / Universidade Federal de Sao Carlos / Quantum dots grown by epitaxial techniques for optical and transport studies are usually capped by a layer of the same material on which the QDs were grown. Recently, several studies have shown how the growth parameters and materials used in this layer significantly affect the morphological, optical and electrical properties of these nanostructures. In this work Indium Arsenide quantum dots capped with a layer of Gallium Arsenide and Antimony are studied. After the growth, a rapid thermal annealing was performed, which improved significantly the size distribution of the quantum dots, increasing the optical eficiency, and inducing a change in the band structure from a Type-I to Type-II. The investigations performed by magnetophotoluminescence have shown that the effects of the topology confinement on the band structure of these quasi zero-dimensional systems are strongly modulated by an external electric field applied parallel to the magnetic field orientation. Purely quantum effects such as Aharonov-Bohm interference and the inversion of the excitonic Landfie g-factor were observed at low temperatures and for specific values of electric fields, showing that the choice of the material and growth conditions of quantum dots capping layer leads to controlled experimental results which could not be achieved using conventional growth methods of semiconductor quantum dots. / Pontos quânticos crescidos por técnicas epitaxiais para estudos ópticos e de transporte são comumente cobertos com uma camada do mesmo material sobre o qual os pontos foram crescidos. Recentemente diversos estudos têm demonstrado como os parâmetros de crescimento e materiais utilizados nesta camada afetam significativamente as propriedades morfológicas, ópticas e elétricas destas nanoestruturas. Neste trabalho são estudados pontos quânticos tradicionais de Arseneto de Índio cobertos com uma camada de Arseneto de Gálio e Antimônio. Após o crescimento foi realizado um tratamento térmico rápido que melhorou significativamente a distribuição de tamanhos dos pontos, com um aumento na eficiência óptica e uma indução na estrutura de bandas do Tipo-I para Tipo-II. As investigações por magnetofotoluminescência revelaram que os efeitos da topologia de confinamento na estrutura de bandas deste sistema quase zero-dimensional são fortemente modulados pela aplicação de um campo elétrico externo paralelo _a orientação do campo magnético. Efeitos de caráter puramente quântico como a interferência Aharonov-Bohm e a inversão do fator-g de Landé excitônico foram observados a baixas temperaturas e para valores específicos de campo elétrico, demonstrando assim que a escolha do material e condições de deposição da camada de cobertura de pontos quânticos levam a efeitos e resultados controlados experimentalmente que não poderiam ser observados utilizando métodos convencionais de crescimento de pontos quânticos semicondutores.

In this thesis, we investigate the quantum transport properties of disordered three dimensional topological insulator (3DTI) nanostructures of BiSe and BiTe in detail. Despite their intrinsic bulk conductivity, we show the possibility to study the specific transport properties of the topological surface states (TSS), either with or without quantum confinement. Importantly, we demonstrate that unusual transport properties not only come from the Dirac nature of the quasi-particles, but also from their spin texture. Without quantum confinement (wide ribbons), the transport properties of diffusive 2D spin-helical Dirac fermions are investigated. Using high magnetic fields allows us to measure and separate all contributions to charge transport. Band bending is investigated in BiSe nanostructures, revealing an inversion from upward to downward bending when decreasing the bulk doping. This result points out the need to control simultaneously both the bulk and surface residual doping in order to produce bulk-depleted nanostructures and to study TSS only. Moreover, Shubnikov-de-Haas oscillations and transconductance measurements are used to measure the ratio of the transport length to the electronic mean free path ltr/le. This ratio is measured to be close to one for bulk states, whereas it is close to 8 for TSS, which is a hallmark of the anisotropic scattering of spin-helical Dirac fermions. With transverse quantum confinement (narrow wires or ribbons), the ballistic transport of quasi-1D surface modes is evidenced by mesoscopic transport measurements, and specific properties due to their topological nature are revealed at very low temperatures. The metallic surface states are directly evidenced by the measure of periodic Aharonov-Bohm oscillations (ABO) in 3DTI nanowires. Their exponential temperature dependence gives an unusual power-law temperature dependence of the phase coherence length, which is interpreted in terms of quasi-ballistic transport and decoherence in the weak-coupling regime. This remarkable finding is a consequence of the enhanced transport length, which is comparable to the perimeter. Besides, the ballistic transport of quasi-1D surface modes is further evidenced by the observation of non-universal conductance fluctuations in a BiSe nanowire, despite the long-length limit (L > ltr) and a high metallicity (many modes). We show that such an unusual property for a mesoscopic conductor is related to the limited mixing of the transverse modes by disorder, as confirmed by numerical calculations. Importantly, a model based on the modes' transmissions allows us to describe our experimental results, including the full temperature dependence of the ABO amplitude.

Um novo procedimento para construir os estados coerentes (CS) e os estados semiclássicos (SS) no campo de um magnético-solenóide é proposto. A idéia principal é baseada sobre o fato de que o AB solenóide quebra a simetria translacional no plano-xy, isto apresenta um efeito topológico tal que surgem dois tipos de trajetórias, aquelas que circundam e aquelas que não circundam o solenóide. Devido a este fato, deve-se construir dois tipos diferentes dos CS/SS, os quais correspondem as referidas trajetórias no limite semiclássico. Seguindo esta idéia, construímos os CS em duas etapas, primeiro os CS instantâneos (ICS) e os CS/SS dependentes do tempo como uma evolução dos ICS. A construção é realizada para partículas não-relativísticas e relativísticas, de spin-zero e com spin ambas em (2 + 1)- e (3 + 1)- dimensões e gera um exemplo não-trivial de SS/CS para sistemas com uma Hamiltoniana não-quadrática. É enfatizado que os CS dependendo dos seus parâmetros (números quânticos), descrevem ambos os estados puramente quânticos e semiclássicos. Uma análise é representada de modo que classifica os parâmetros dos CS em tal relação. Tal classificação é usada para as decomposições semiclásicas de diversas quantidades físicas. / A new approach to constructing coherent states (CS) and semiclassical states (SS) in magnetic-solenoid field is proposed. The main idea is based on the fact that the AB solenoid breaks the translational symmetry in the xy-plane, this has a topological effect such that there appear two types of trajectories which embrace and do not embrace the solenoid. Due to this fact, one has to construct two different kinds of CS/SS, which correspond to such trajectories in the semiclassical limit. Following this idea, we construct CS in two steps, first the instantaneous CS (ICS) and the time dependent CS/SS as an evolution of the ICS. The construction is realized for nonrelativistic and relativistic, spinning and spinless particles both in (2 + 1)- and (3 + 1)- dimensions and gives a non-trivial example of SS/CS for systems with a nonquadratic Hamiltonian. It is stressed that CS depending on their parameters (quantum numbers) describe both pure quantum and semiclassical states. An analysis is presented that classifies parameters of the CS in such respect. Such a classification is used for the semiclassical decompositions of various physical quantities.

Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Vinicius Salem.pdf: 2842532 bytes, checksum: 22444ff7cd1897f8dc66bfd6a1f84a65 (MD5) Previous issue date: 2017-03-13 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In the present work, it is explained in a concise way the Aharonov-Bohm (AB) Efect in the magnetic case. Possible interpretations envolving the phenomena are discussed too, through a carefull review about the theme in literature, in purpose to sumarize the diferent interpretations concerning the possible physical reality of electromagnetic potentials in physics, in special the case of the vector potential, since this work focuses in the magnetic AB eect. Also, the construction and solution of Dirac equation is studied in details for the non-relativistic limit case of an electron possessing anomalous magnetic moment (i.e., g 6=2) in a conical space. For this purpose, the self-adjoint extensions method as developed by Bulla and Gesztesy is used in order to obtain expressions for bound states energies and scattering. The self-adjoint extension parameter obtained in the study of bound states and scattering showed very plausible physical results, consonant with the literature in general, as exposed in detail in chapter four. Finally, it is discussed the role of anomaly of the electron magnetic moment in providing bound states energies, a theme rarely discussed in literature since now. / No presente trabalho, procura-se explicar de forma concisa a fenomenologia do Efeito Aharonov-Bohm (AB) magnético, bem como o sistema aplicado a partículas de spin 1/2. Também são discutidas possíveis interpretações para o fenômeno através de uma cuidadosa revisão sobre o tema na literatura, buscando sumarizar as distintas opiniões sobre a possível realidade física dos potenciais eletromagnéticos, em especial do potencial vetor, uma vez que o foco neste trabalho concentra-se no Efeito AB magnético. Posteriormente,é estudada em detalhes a construção e solução da Equação de Dirac para o caso limite não-relativístico do elétron com anomalia do momento magnético (i.e., g 6= 2) em uma topologia cônica. Para isto é utilizado o método de extensão auto-adjunta de operadores na versão desenvolvida por Bulla e Gesztesy, afím de obter expressões para as energias de estados ligados e espalhamento. O parâmetro de extensão obtido no estudo de estados ligados e espalhamento apresentou resultados físicos consistentes com a literatura em geral. Por fím, o papel da anomalia no momento magnético do elétron em proporcionar estados ligados no sistema é discutido detalhadamente, algo até então pouco abordado na literatura.

[pt] Nesta tese investigamos os efeitos das interações elétron- elétron nas propriedades de transporte nanosistemas. Em particular, estudamos sistemas constituídos por dois pontos quânticos conectados a dois contatos, em diferentes topologias. O principal interesse é estudar os efeitos do regime Kondo e da fase eletrônica na condutância. Na configuração onde os dois pontos são inseridos em cada braço de um anel atravessado por um fluxo magnético, denotada por PPL, calculamos as fases das correntes que circulam através de cada braço do anel. Estas fases são determinadas pelo efeito Aharonov-Bohm combinado com a inflência da interação de muitos corpos das cargas nos pontos. Este sistema apresenta ressonância Kondo para um número par de elétrons em concordância com os resultados experimentais1. Outro aspecto interessante da configuração PPL é que, mesmo na ausência de fluxo magnético, pode existir circulação de corrente no anel, dependendo dos parâmetros escolhidos. Consideramos outras duas topologias que envolvem dois pontos quânticos acoplados através de interação de tunelamento. Em uma delas, denotada PAL, os dois pontos estão alinhados com os contatos, e na outra, a configuração PPD, um ponto está inserido nos contatos entanto que o outro interage só com o primeiro. No limite de acoplamento fraco, estas duas configurações apresentam características bem distintas, no só na dependência da condutância com o potencial de porta mas também na correlação de spin dos pontos quânticos. Ambas configurações apresentam ressonância Kondo para um número par de elétrons de diferente natureza. Quando cada ponto está carregado com um elétron, no caso da configuração PAL, os spins dos pontos quânticos estão descorrelacionados enquanto que, na configuração PPD, os spins estão correlacionados ferromagneticamente. No limite do acoplamento forte as propriedades de transporte das dois configurações são similares. Os sistemas discutidos acima são representados por o Hamiltoniano de Anderson de duas impurezas acopladas, o qual é resolvido diagonalizando exatamente um aglomerado que é embebido no resto do sistema. Desta forma obtemos as propriedades de transporte a T = 0. Para estudar a dependência com a temperatura utilizamos o método da equação de movimento (EOM) no limite da repulsão Coulombiana infinita. Aplicamos este método ao caso da topologia PPD, obteniendo resultados para baixas temperaturas consistente com os obtidos com o método do aglomerado. / [en] In this thesis we investigate the effects of the eletron- eletron interaction on the transport properties of nanosystems. In particular, we study systems constituted by two quantum dots conected to leads, in different topologies. Our main interest is to study the effects of the Kondo regime and the electronic phase on the conductance. In the configuration where the two dots are inserted in each arm of a ring threaded by a magnetic flux, denoted by PPL, we calculate the phases of the currents going along each arm of the ring. These phases are determined by the Aharonov-Bohm effect combined with the dots many body charging effects. This system presents the Kondo phenomenon for an even number (two) of electrons in the dots, in agreement with experimental results1. An interesting aspect of PPL configuration is that, even in the absence of magnetic flux there can be a circulating current around the ring, depending on the system parameters. In the two other topologies we consider the two quantum dots coupled through tunneling interaction. In one of them, denoted by PAL, the two dots are aligned with the leads, and in the other, the PPD configuration, one dot is inserted into the leads while the other interacts only with the first. In the weak coupling limit these two configurations present quite different features, not only on the dependence of the conductance on the gate potencials applied to the dots, but also on the dots spin correlation. Both configurations present Kondo resonance for an even number electrons. In the PAL configuration the spins of the charged dots are uncorrelated, while in the PPD configuration they are ferromagnetically correlated. In the strong tunneling coupling limit the transport properties of two interacting dot configurations are very similar. The systems discussed above are represented by an Anderson two- impurity first-neighbor tight-binding Hamiltonian, that is solved by exactly diagonalizing a cluster that is embebed into the rest of the system. In this way we obtain only the properties of the system at T = 0. In order to study temperature dependence phenomena we use the equation of motion method (EOM) in the limit of infinite Coulomb repulsion. We apply it to the dots in the PPD topology. The results for low temperatures are consistent with hose obtained with the cluster method.

Submitted by LUCIANO HENRIQUE SILIANO RICCO null (luciano.silianoricco@gmail.com) on 2016-03-03T12:32:48Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_LucianoRicco.pdf: 7937141 bytes, checksum: 4631857aac8f308808dda1e44b0c0f03 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-03-04T16:21:23Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ricco_lhs_me_ilha.pdf: 7937141 bytes, checksum: 4631857aac8f308808dda1e44b0c0f03 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-03-04T16:21:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ricco_lhs_me_ilha.pdf: 7937141 bytes, checksum: 4631857aac8f308808dda1e44b0c0f03 (MD5) Previous issue date: 2016-01-29 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Investigou-se teoricamente um sistema composto por um interferômetro do tipo Aharonov- Bohm com dois pontos quânticos, onde um deles encontra-se acoplado à um fio de Kitaev na fase topológica, nos casos em que se desconsidera a interação de Coulomb entre os pontos quânticos (caso não interagente) e quando a mesma é levada em conta (caso interagente). Na primeira situação, verificou-se a presença robusta da anomalia de voltagem zero para ambos os regimes de interferência Fano adotados. Além do mais, constatou-se que o estado de Majorana isolado possui uma maneira singular de quebrar a simetria dos perfis de densidade de transmitância em função da diferença simétrica de energia dos pontos quânticos e da energia de Fermi dos terminais metálicos. Tais perfis podem ser obtidos experimentalmente por medidas de condutância. Na situação de pontos quânticos interagentes em ressonância, verificou-se que a razão entre a magnitude da repulsão de Coulomb e o acoplamento fio-ponto quântico altera a largura da anomalia de voltagem zero em ambos os regimes Fano analisados. Esse fato sugere que a correlação eletrônica influencia o tempo de vida do estado de Majorana no ponto quântico hibridizado diretamente com o fio. Ademais, para a situação de pontos quânticos não ressonantes, a inversão dos valores de energia dos mesmos também modifica a largura da anomalia de voltagem zero, fenômeno que não ocorre para o caso não interagente. Acredita-se que o dispositivo proposto neste trabalho constitui um mecanismo experimental alternativo para detectar excitações de Majorana. / We investigate theoretically a setup composed by an Aharonov-Bohm-like interferometer with two quantum dots, where one of them is coupled to a Kitaev wire within the topological phase, which is explored in two cases: (i) the interdot Coulomb correlation is disregarded (noninteracting case) and (ii) the same is taken into account (interacting case). In the situation (i), we verify the presence of the zero-bias anomaly for the both Fano regimes of interference adopted. Furthermore, we found that an isolated Majorana state has a particular way of breaking the symmetry in transmittance profiles, which can be accessed experimentally by performing electrical conductance measurements. In the situation (ii), for interacting quantum dots in resonance, we notice that the ratio between the Coulomb repulsion strength and the wire-dot coupling changes the width of the zero-bias peak for both Fano regimes analyzed. This feature suggests that the electronic correlation modifies the Majorana state lifetime in the dot directly coupled to the wire. Moreover, for the off-resonance situation, the swap between the energy levels of the dots also changes the width of the Majorana peak, which is not observed in the noninteracting case. The results obtained here can guide experimentalists that pursuit a way of revealing Majorana signatures. / FAPESP: 2014/14143-0

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.

Um novo procedimento para construir os estados coerentes (CS) e os estados semiclássicos (SS) no campo de um magnético-solenóide é proposto. A idéia principal é baseada sobre o fato de que o AB solenóide quebra a simetria translacional no plano-xy, isto apresenta um efeito topológico tal que surgem dois tipos de trajetórias, aquelas que circundam e aquelas que não circundam o solenóide. Devido a este fato, deve-se construir dois tipos diferentes dos CS/SS, os quais correspondem as referidas trajetórias no limite semiclássico. Seguindo esta idéia, construímos os CS em duas etapas, primeiro os CS instantâneos (ICS) e os CS/SS dependentes do tempo como uma evolução dos ICS. A construção é realizada para partículas não-relativísticas e relativísticas, de spin-zero e com spin ambas em (2 + 1)- e (3 + 1)- dimensões e gera um exemplo não-trivial de SS/CS para sistemas com uma Hamiltoniana não-quadrática. É enfatizado que os CS dependendo dos seus parâmetros (números quânticos), descrevem ambos os estados puramente quânticos e semiclássicos. Uma análise é representada de modo que classifica os parâmetros dos CS em tal relação. Tal classificação é usada para as decomposições semiclásicas de diversas quantidades físicas. / A new approach to constructing coherent states (CS) and semiclassical states (SS) in magnetic-solenoid field is proposed. The main idea is based on the fact that the AB solenoid breaks the translational symmetry in the xy-plane, this has a topological effect such that there appear two types of trajectories which embrace and do not embrace the solenoid. Due to this fact, one has to construct two different kinds of CS/SS, which correspond to such trajectories in the semiclassical limit. Following this idea, we construct CS in two steps, first the instantaneous CS (ICS) and the time dependent CS/SS as an evolution of the ICS. The construction is realized for nonrelativistic and relativistic, spinning and spinless particles both in (2 + 1)- and (3 + 1)- dimensions and gives a non-trivial example of SS/CS for systems with a nonquadratic Hamiltonian. It is stressed that CS depending on their parameters (quantum numbers) describe both pure quantum and semiclassical states. An analysis is presented that classifies parameters of the CS in such respect. Such a classification is used for the semiclassical decompositions of various physical quantities.