[en] ENGINEERING THE ELECTRONIC AND SPINTRONIC PROPERTIES OF GRAPHENE BY SPIN-ORBIT COUPLING AND PERIODIC VACANCIES

[pt] MODIFICANDO AS PROPRIEDADES ELETRÔNICAS E SPINTRÔNICAS DO GRAFENO POR MEIO DE ACOPLAMENTO SPIN-ÓRBITA E VACÂNCIAS PERIÓDICAS

[pt] MATHEUS SAMUEL MARTINS DE SOUSA

[pt] SPINTRONICA

[pt] ENGENHARIA DE VACANCIAS

[pt] PROPRIEDADES ELETRôNICAS

[pt] INTERACAO SPIN-ORBITA

[pt] GRAFENO

[en] SPINTRONICS

[en] VACANCY ENGINEERING

[en] ELECTRONIC PROPERTIES

[en] SPIN-ORBIT INTERACTION

[en] GRAPHENE

[pt] Nesta tese, exploramos diferentes propriedades do grafeno, um material com uma única camada de átomos de carbono. Na primeira seção, propomos um modelo estendido de tight-binding que inclui efeitos de efeitos de spin-órbita e magnetização a fim de investigar os efeitos spintrônicos sobre as correntes de equilíbrio do material. Descobrimos que há uma interação entre o spin-lock devido ao acoplamento spin-órbita de Rashba e a magnetização externa proposta no modelo. Essa interação faz com que as correntes de spin desenvolvidas no material tenham propriedades específicas, o que é destacado na seção sobre nanoribbons. Na seção seguinte, investigamos o papel das simetrias não-simórficas, uma classe de simetrias que só podem ser realizadas com reflexão ou rotação e translação, nas propriedades eletrônicas de materiais bidimensionais. Nós propusemos um método para produzir essas simetrias em qualquer rede por meio da engenharia de vacâncias, ou seja, removendo sítios em determinadas posições. Mostramos que quando essas simetrias estão presentes na estrutura do material, os espectros devem ser ser restringido de tal forma que cada duas bandas devem se tocar em um ponto da Brillouin, em particular, deve haver linhas nodais ao longo dos limites da zona de Brillouin. Explorando a ideia de engenharia de vacâncias, propomos um método para usá-lo para criar bandas planas de energia zero para redes bipartidas. Essa é uma constatação de que o Hamiltoniano das redes bipartidas assume uma forma especial, anti-bloco-diagonal, e a engenharia de vacância consiste em remover linhas e colunas do Hamiltoniano de tight-binding. Analisamos o papel da banda plana de energia zero sobre as correlações eletrônicas, como a formação de uma fase de supercondutividade. As duas últimas seções são dedicadas à métrica quântica e suas aplicações, em particular no estudo da ordem topológica. Damos exemplos e mostramos que para sistemas contínuos, há uma fórmula fechada para a dimensão D. Como uma aplicação, mostramos que a opacidade do grafeno está diretamente relacionada à carga topológica.

[en] In this thesis, we explore different properties of Graphene, a material with a single layer of carbon atoms. In the first section, we propose a extended tight-binding model including spin-orbit and magnetization effects in order to investigate spintronics effects on the equilibrium currents of the material. We found that there is a interplay between the spin-locking due to Rashba spin-orbit coupling and the external magnetization proposed in the model. This interplay makes the spin-currents developed in the material to have specific properties, which is highlighted on the section on nanoribbons. In the following section, we investigate the role of nonsymmorphic symmetries, a class of symmetries that can only be realized with reflection or rotation and translation, on the electronic properties of bidimensional materials. We proposed a method to produce these symmetries on any lattice by performing vacancy engineering, i.e. removing sites at certain positions. We show that when theses symmetries are present in the structure of the material, the spectra must be restricted in such a way that every two bands must touch at a point in the Brillouin Zone, in particular there must be nodal lines along the boundaries of the Brillouin Zone. Exploring further on the idea of vacancy engineering, we propose a method for using it to create zero-energy flat-bands for bipartite lattices. This is a realization that the Hamiltonian of bipartite lattices takes a special form, namely anti-block-diagonal, and vacancy engineering consists of removing rows and columns from the tight-binding Hamiltonian. We analyze the role of the zero-energy flat-band on the electronic correlations such as formation of a superconductivity phase. The last two sections are dedicated to quantum metric and applications thereof, in particular in the study of topological order. We give examples and show that for continuum systems there is a closed formula for dimension D. As an application, we show that the opacity of Graphene is directly related to the topological charge.

WEI CHEN

ANDREA BRITO LATGE

CAIO HENRIQUE LEWENKOPF

GEORGE BALSTER MARTINS

WEI CHEN

MARIANA MALARD SALES ANDRADE

2023-09-08

2023-08-10

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.63914