بررسي حالت هاي توپولوژيك مغناطيسي در نارساناهاي توپولوژيك سه بعدي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

فيزيك

دكتري

ويژگي هاي الكترونيكي يكتايي را از خود بروز مي دهند. وجود اين حالت هاي سطحي به دليل توپولوژي بالك ساختار نواري است كه مي تواند منجر به وجود ناورداهاي توپولوژيكي شود كه نسبت به بي نظمي هاي غير مغناطيسي، قوي مي باشند. در اين حالت هاي سطحي اسپين الكترون ها به تكانه ي آن ها قفل بوده كه سبب جلوگيري از پس پراكندگي در اين حالت هاي مي شود. در سالهاي اخير با توجه به پتانسيل كاربرد نارسانا هاي توپولوژيك در اسپين ترونيك و محاسبات كوانتومي، توجه به اين حالت ها به شدت افزايش پيدا كرده است و مطالعات فراواني چه به لحاظ نظري و چه به لحاظ عملي بر روي اين دسته از مواد انجام شده است. اگرچه نارساناهاي توپولوژيك سه بعدي در ابتدا در سيستم هاي داراي تقارن وارون زماني پيشنهاد شدند، اما مشخصشده است كه اعمال يك مغناطش خود به خودي يا به طور معادل يك ميدان خارجي شكننده تقارن وارون زماني، منجر به تشكيل شكاف تبادلي در نوار انرژي در نقطه ديراك مي شود. در چنين نارساناهاي توپولوژيك مغناطيسي، تنظيم سطح فرمي در شكاف تبادلي ناشي از مغناطش، با توجه به كوپل شدگي اسپين - مدار قوي، منجر به ظهور حالت هاي كوانتومي نوين مانند حالتهاي كوانتوم آنامولوس هال، نارساناهاي اكسيوني و نارساناهاي چرن با عدد چرن بالا مي شود كه هر يك از اين حالت ها با توجه به كاربرد ها به ويژه در محاسبات كوانتومي از اهميت بسزايي برخوردار هستند. اعمال مغناطش به نارساناهاي توپولوژيك عمدتاً از طريق اعمال ميدان مغناطيسي، آلاييدن نارساناي توپولوژيك با اتم هاي مغناطيسي و يا ساختن هترو استراكچرها - با مجاور قرار دادن نارساناهاي توپولوژيك با لايه هاي مغناطيسي - انجام مي شود. اعمال مغناطشبه حالت هاي سطحي نارساناهاي توپولوژيك سبب شكست تقارن وارون زماني مي شود و بسته به اندازه و جهت مغناطشميتوان هر يك از حالت هاي كوانتوم آنامولوس هال، نارساناهاي اكسيوني و يا نارساناهاي چرن با عدد چرن بالا را داشت. فاز كوانتوم آنامولوس هال، حالتي است كه در آن مغناطش روي سطوح بالا و پايين نارساناي توپولوژيك هم جهت بوده و باعث تشكيل كانال هاي لبه اي كايرال مي شود. در مقابل، در حالت هاي اكسيوني جهت مغناطش روي سطوح بالا و پايين مخالف بوده و هيچ كانال لبه اي كايرال در اين حالت ها وجود ندارد. حالت هاي اكسيوني با رسانشهال نيمه كوانتيده روي سطوح بالا و پايين مشخص مي شوند. علاوه بر اين، اثر مگنتوالكتريك در اين حالت ها بسيار مورد توجه قرار دارد. نارساناهاي چرن با عدد چرن بالا، حالت هاي كوانتوم آنامولوس هال هستند كه در آن ها بزرگ بودن مغناطش اعمالي نسبت به شكاف انرژي سامانه سبب مي شود كه شامل بيش از يك كانال لبه اي كايرال باشند. ذكر اين نكته ضروري است كه تحقيقات تئوري و تجربي بيشتر بر روي نارساناهاي توپولوژيك مغناطيسي زمينه مناسبي را براي توسعه مفاهيم جديد براي دستگاه هاي الكترونيكي نسل بعدي براي كاربردهايي مانند اسپينترونيك با مصرف انرژي كم، الكترونيك توپولوژيك بدون اتلاف و محاسبات كوانتومي توپولوژيكي فراهم مي كند. ما در اين پژوهش قصد داريم به بررسي چگونگي دست يابي به عنوان مشهورترين نارساناي توپولوژيك سه بعدي بپردازيم. ابتدا به معرفي Bi2Se به اين حالت هاي توپولوژيك مغناطيسي در 3 ساختارنواري و تقارن هاي موجود در اين سيستم پرداخته و سپس يك هاميلتوني تنگابست فضاي حقيقي را براي اين ساختار معرفي مي كنيم. همچنين در بخش مربوط به مفاهيم نظري، روش لاندائو-بوتيكر كه از آن براي محاسبات مربوط به ترابرد الكترونيكي سيستم استفاده كرده ايم، تشريح شده است. ساختار اين پژوهش به اين صورت است: ابتدا به تشريح اهميت ساخت اين دسته از مواد در مقياس لايه نازك به منظور كاهش اثرات بالك بر روي ترابرد حالت هاي سطحي پرداخته ايم. با كاهشضخامت نارساناي توپولوژيك، توابع موج حالت هاي سطح روي سطوح مقابل شروع به همپوشاني مي كنند و باعث پيدايش شكاف هيبريداسيون در نقطه ديراك مي شوند كه به ضخامت نمونه بستگي دارد. كنترل اين شكاف به كمك كنترل ويژگي هاي سيستم با توجه به كاربرد در ابزارآلات الكترونيكي و اپتيكي از اهميت بالايي برخوردار است. در اين بخش نشان داده ايم كه به كمك اعمال كرنش، ميدان الكتريكي و يا ميدان مغناطيسي در صفحه به اين دسته از مواد، مي توان شكاف هيبريداسيون و ويژگي هاي ترابرد اين دسته از مواد را كنترل كرد.

228370

ماده چگال

فيزيك

دانشگاه صنعتي اصفهان