Por favor, use este identificador para citar o enlazar este ítem: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44989
ORCID:  http://orcid.org/0000-0001-5622-4968
Document type: Trabalho de Conclusão de Curso
Access type: Acesso Aberto
Title: Oscilações de Shubnikov-de Haas em isolantes topológicos
Author: Viola, Olavo
First Advisor: Junior, Gerson Ferreira
First member of the Committee: Martins, George Balster
Second member of the Committee: Serrano, Raimundo Lora
Summary: Isolantes topológicos (TIs) foram introduzidos por volta da década de 80 no estudo de estados topológicos em sistemas quânticos, ou seja, estados protegidos contra deformações contínuas e impurezas. Somente no começo do sec. XXI é que essa classe de materiais foi implementada, de fato, no estudo de materiais avançados no ramo da física da matéria condensada e da spintrônica: quando os físicos Bernevig, Hughes e Zhang (BHZ) estudaram o efeito Hall quântico de spin em poços quânticos de HgTe. Essa modelagem de materiais topológicos, que ficou conhecida como ``modelo BHZ'', descreve estados de borda topológicos com condutividade protegida de impurezas, sendo amplamente promissora no ramo da indústria de materiais. Interpretações teóricas desse efeito são fornecidas por oscilações quânticas, como por exemplo Shubnikov-de Haas (SdH), que corresponde a oscilações na magneto-resistência em sistemas bidimensionais submetidos a um campo magnético externo. A descrição analítica desse fenômeno está baseada na equação de Lifshitz-Kosevich (LK); no entanto, soluções analíticas dessa para o Hamiltoniano BHZ não produzem resultados acurados na presença de acoplamento spin-órbita (SOI) e termos do efeito Zeeman sem que aproximações significativas sejam realizadas. Logo, este trabalho de pesquisa tem como fito estudar os efeitos de SOI e Zeeman para as oscilações de SdH em sistemas bidimensionais, em especial os TIs. Para isso, consideramos o modelo de Drude para transporte eletrônico combinado com a aproximação de Born para a taxa de espalhamento para reescrever a resistência longitudinal do efeito Hall quântico em termos da densidade de estados (DOS) no nível de Fermi. Como resultado, utilizando-se do pacote Kwant do Python para calcular numericamente a DOS, obtêm-se o espectro das frequências das oscilações de SdH em TIs e em gases bidimensionais de elétrons, como o GaAs e o InSb. Esse fenômeno quântico é uma ferramenta fundamental para caracterizar quantidades relativas ao transporte eletrônico em materiais como a densidade de carga, resistividade Hall, massa efetiva das bandas, fase de Berry, dentre outras informações que ajudam no desenvolvimento de novos materiais para a indústria da spintrônica, colaborando para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais eficazes e mais poderosos no ramo da computação quântica.
Abstract: Topological insulators (TIs) were introduced around the 1980s in the study of topological states in quantum systems, i.e., states protected by continuous deformations and impurities. It was only at the beginning of the 21st century that this class of materials was effectively implemented in the study of advanced materials in the field of condensed matter physics and spintronics when physicists Bernevig, Hughes, and Zhang (BHZ) studied the quantum spin Hall effect in HgTe quantum wells. This modeling of topological materials, which became known as the ``BHZ model'', describes topological edge states with impurity-protected conductivity, making it highly promising in the materials industry. Theoretical interpretations of this effect are provided by quantum oscillations, such as the Shubnikov-de Haas (SdH) effect, which corresponds to oscillations in magneto-resistance in two-dimensional systems subjected to an external magnetic field. The analytical description of this phenomenon is based on the Lifshitz-Kosevich (LK) equation; however, analytical solutions of this for the BHZ Hamiltonian do not produce accurate results in the presence of spin-orbit coupling (SOI) and Zeeman effect terms without significant approximations. Therefore, this research aims to study the effects of SOI and Zeeman on SdH oscillations in two-dimensional systems, particularly TIs. For this purpose, we consider the Drude model for electronic transport combined with the Born approximation for the scattering rate to rewrite the longitudinal resistance of the quantum Hall effect in terms of the density of states (DOS) at the Fermi level. As a result, using the Kwant package in Python to numerically calculate the DOS, the spectrum of SdH oscillation frequencies in TIs and two-dimensional electron gases, such as GaAs and InSb, is obtained. This quantum phenomenon is a fundamental tool for characterizing quantities related to electronic transport in materials, such as charge density, Hall resistivity, effective band mass, Berry phase, among other information that aids in the development of new materials for the spintronics industry, contributing to the advancement of more efficient and powerful electronic devices in the field of quantum computing.
Keywords: Isolantes Topológicos, Oscilações Quânticas, Shubnikov-de Haas.
Topological Insulators, Quantum Oscillations, Shubnikov-de Haas
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Quote: VIOLA, Olavo. Oscilações de Shubnikov-de Haas em isolantes topológicos. 2024. 69 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Física) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44989
Date of defense: 7-Nov-2024
Appears in Collections:TCC - Física (Licenciatura)

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