19568

2222 دكتري

دكتري

ماده چگال

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1042

يازده، 69، مصور، جدول، نمودار

1403/04/21

كتابنامه

فيزيك

فيزيك

1403/05/24

23049539

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.

Topological insulators (TIs) have insulating bulk and metallic surface states protected by time-reversal symmetry (TRS) and exhibit unique electronic properties. These surface states exist due to the nontrivial topology of the bulk band structure, which can lead to topological invariants that are robust against perturbations. TIs have attracted significant interest in condensed matter physics due to their potential applications in spintronics and quantum computing. Due to strong spin-orbit coupling, applying magnetization to TIs leads to novel quantum states such as quantum anomalous Hall (QAH) states, axion insulator (AI) states, and high Chern insulators of great interest due to their potential applications in spintronics and quantum computing devices. Magnetization of TI is mainly achieved by applying a magnetic field, doping with magnetic atoms, or constructing heterostructures with magnetic layers. TRS in spin-momentum-locked surface states - where the momentum and spin of surface state electrons are constrained perpendicularly - is broken by magnetization. Depending on the size and direction of magnetization, QAH states, AI states, or high Chern states can appear. The QAH phase is a state in which magnetization causes the formation of chiral edge channels. The Chern invariant equal to one characterizes these states. In contrast, there are no chiral edge channels in AI states, which are distinguished by half-quantized Hall conductance on the top and bottom surfaces. Furthermore, the magnetoelectric effect in these states is fascinating. High Chern insulators are also QAH states that have more than one chiral edge channel. Controlling the direction of magnetization applied to the surfaces enables the detection of the QAH or AI state in TIs. In fact, in the absence of an external magnetic field, QAH can be obtained if the direction of applied magnetization on the top and bottom surfaces is the same, and AI states can appear if the direction of magnetization on the surfaces is opposite. In recent years, the study of states with a Chern number higher than one has been considered due to the potential of application in multi-channel quantum computing and energy-efficient electronic devices. To achieve these states in 3D TIs, the applied magnetization to the sample must be larger than the bulk gap.

فرهاد فضيله

اسماعيل عبدالحسيني سارسري

ميرابوالحسن واعضي , سعيد عابدين پور , مجتبي اعلائي