MATERIAL PARA ESTUDO,
FAVOR NÃO DIVULGAR ONLINE, POIS FALTA
CITAR VÁRIOS AUTORES QUE FORAM
USADOS NA CONFECÇÃO DESSA
USADOS NA CONFECÇÃO DESSA
Mini-Curso:Introdução aos Isolantes
Topológicos.
Leandro Oliveira do Nascimento Leandro Oliveira do Nascimento
Belém, 23-25 de março de 2015
Prof Dr. Eduardo Cantera Marino Prof Dr. Van Sérgio da Silva Alves Profa Dra Cristiane de Morais Smith
INTRODUÇÃO
Sistemas em 2 dimensões exibem fenômenos quânticos não observados em dimensões maiores, como o efeito Hall quântico.
INTRODUÇÃO
Em 1980, K. Von Klitzing (nobel de física, 1985) mostrou que na presença de um campo magnético intenso a condutividade Hall é quantizada.
INTRODUÇÃO
Algumas características do efeito Hall quântico:
1) Observado em temperaturas baixas e campos magnéticos intensos. 2) Condutividade é um valor quantizado de e²/h (constante de V.Klitzing). 2) Condutividade é um valor quantizado de e²/h (constante de V.Klitzing). 3) O material possui comportamento diferente no centro e na borda; no
centro é isolante, enquanto na borda é metal.
4) A corrente na borda é quiral, ou seja, todos os elétrons se movem na mesma direção.
5) O valor da condutividade Hall não depende de detalhes da amostra, como tamanho, largura, desordem, perturbações locais...
INTRODUÇÃO
A física do efeito Hall quântico pode ser entendida em termos dos níveis de Landau e do número de Chern.
INTRODUÇÃO
O efeito Hall quântico inteiro de V. Klitzing pode ser entendido em termos de uma teoria não interagente.
Existe também o efeito Hall quântico fracionário, cuja explicação depende da teoria de férmions compostos, obtida através de um depende da teoria de férmions compostos, obtida através de um modelos interagentes.
Os níveis de Landau são os níveis de energia dos elétrons quando submetidos a um campo magnético ortogonal ao plano. São parecidos aos níveis de energia de um oscilador harmônico unidimensional.
INTRODUÇÃO
INTRODUÇÃO
O efeito Hall quântico inteiro no grafeno: 1-Temperatura ambiente (300K);
1-Temperatura ambiente (300K); 2- Niveis de Landau relativísticos; 3- Efeito Hall quântico anômalo (Nf=2 spin x 2 cones=4);
4- Nível n=0 é parcialmente preenchido;
INTRODUÇÃO
graças ao grande interesse no grafeno cogitou-se a possibilidade do efeito Hall quântico de spin (Kane e Mele, 2005) nesse sistema;
Lembrete: Em 1988 Haldane mostrou que NÃO era necessário ter campo magnético externo para ocorrer efeito Hall quântico.
campo magnético externo para ocorrer efeito Hall quântico. Efeito Hall quântico de Spin:
1-Gerado pela interação spin-órbita. 2-Corrente de spin transversa.
3-Preserva T para todo o sistema. 4-Não ocorre no grafeno!!
INTRODUÇÃO
Em 2007, Molenkamp mediu o efeito Hall quântico de spin, usando um sistema 2-d formado por folhas de HgTe (Telureto de mércurio). Modelo BHZ (2006).
O efeito Hall quântico inteiro e de spin são exemplos de isolantes O efeito Hall quântico inteiro e de spin são exemplos de isolantes topológicos. Esse é um novo estado da matéria que não pode ser explicado através da quebra espontânea de simetria ou pela presença de um parâmetro de ordem local.
Isolantes topológicos são caracterizados pelo centro da amostra com comportamento de isolantes, mas com estados de borda com comportamento de metal. No caso do efeito Hall quântico inteiro, os estados de borda são quirais, enquanto no efeito Hall quântico de spin, os estados de borda são helicoidais.
PLANO GERAL
Dia-1- O Efeito Hall quântico
Teoria de Bandas.
Rede unidimensional Vs Poliacetileno. Rede unidimensional Vs Poliacetileno. Efeito Hall quântico.
PLANO GERAL
Dia-2-Isolantes Topológicos
Fase de Berry
Teorema adiabático quântico. Teorema adiabático quântico.
Condutividade Hall e a Fase de Berry. Fórmula de Kubo.
PLANO GERAL
Dia-3-Grafeno e supercondutores topológicos
O Grafeno.
Tight-Binding, paradoxo de Klein, deformação e interação. Tight-Binding, paradoxo de Klein, deformação e interação. Grafeno massivo e o número de Chern.
Efeito Hall quântico de Spin.
Supercondutores topologicos e férmions de Majorana. Discussão sobre os exercícios.
TEORIA DE BANDA
Como classificar um material enquanto metal ou isolante??
Física do Estado Sólido: Elétrons + potencial periódico
Precisamos obter as bandas (dispersão) dos elétrons; Precisamos obter as bandas (dispersão) dos elétrons;
PRELIMINARES: 2ª QUANTIZAÇÃO
1ª QUANTIZAÇÃO: Operadores.
2ª QUANTIZAÇÃO: Número de ocupação. 2ª QUANTIZAÇÃO: Número de ocupação.
Radiação Fóton (bóson). Matéria Elétron (férmion).
Espaço de Fock Operadores de criação e destruição de partículas.
PRELIMINARES: 2ª QUANTIZAÇÃO
Bósons: Comutadores, spin inteiros, número de ocupação de 0 a infinito, Função de onda simétrica
Férmions:Anticomutadores, spin semi-inteiros, número de ocupação de 0 a 1 (principio da exclusão de Pauli), função de onda
anti-simétrica.
PRELIMINARES: 2ª QUANTIZAÇÃO
Qual o estado de mínima energia (mais provável) para Temperatura=0?
Férmions: Superfície de Fermi
PRELIMINARES: 2ª QUANTIZAÇÃO
Como escrever operadores nesse formalismo?
Exemplo: Operador energia cinética de um elétron não-relativístico:
Espaço de momento.
***Modelo 1-d para um metal***
Modelo de isolante 1-d: O poliacetileno!
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Bandas de energia para o poliacetileno
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Invariante topológico do modelo SSH
Mostramos que o modelo SSH pode ser escrito como:
O número de vezes que o círculo encobre a origem é O número de vezes que o círculo encobre a origem é
Invariante topológico do modelo SSH
Lembrando que h(k) é periódico na zona de Brillouin...
Para termos um número real, devemos ter
Diferentes invariantes topológicos
Versão continua do modelo SSH
Conhecemos a versão da rede:
Podemos obter o Hamiltoniano de Bloch 2x2....
Versão continua do modelo SSH
Para baixos momentos: Assim...
Equação de Dirac em 1+1 D com massa efetiva.
EFEITO HALL CLÁSSICO Força total nula, logo
Campo magnético na direção z e a Lei de Ohm, logo
***EFEITO HALL QUÂNTICO: NIVEIS DE LANDAU*** Hamiltoniano
,
***TRANSPORTE QUÂNTICO***
,
Aspecto microscópico: Bandas de energia.
Propagação de ondas na rede atômica. Aspecto macroscópico: Condutividade (local) Vs Condutância.
Resistividade (local) Vs Resistência. Quantum de condutância:
Canais de transmissão Condutividade (Fórmula de Landauer) Canais de transmissão Condutividade (Fórmula de Landauer) Teoria de resposta linear Kubo Fórmula
O quantum de condutância
,
Qual a condutividade de uma onda plana???
Solução da Eq. Schrodinger: Solução da Eq. Schrodinger:
O quantum de condutância
,
Corrente carregada pelo modo
O quantum de condutância
,
Condutividade
Valor universal
Fórmula de Landauer-Buttiker
,
T= coeficiente de transmissão.
Condutância de um nível de Landau
,
Condutância de um nível de Landau
,
Condutividade quantizada Nível de energia quantizado
RESUMINDO...
,
RESUMO ATÉ AQUI:
,
• Isolantes são materiais que possuem um gap de energia em sua estrutura de banda.
• Condutividade Hall é uma condutividade elétrica transversa ao campo elétrico aplicado no material.
• Para campos suficientemente intensos, essa condutividade é quantizada devido aos níveis de Landau.
AMANHÃ:
ISOLANTES
ISOLANTES TOPOLÓGICOS
TOPOLÓGICOS
Como classificar essas novas fases da matéria???
Quebra espontânea de
Quebra espontânea de
simetria!
simetria!
Como explicar um mundo sem simetria, partindo de teorias totalmente simétricas?
Em alguma escala essas teorias devem fornecer estados de mínima energia (mais favoraveis) que violam essas simetrias.
Sendo assim....
Supercondutividade Densidade de pares de Cooper. Ferromagnetismo Magnetização.
Condensado de Bose-Einstein Densidade de partículas. ....
Efeito Hall quântico ???????
Não existe um parâmetro de ordem local??
A condutividade Hall não depende de detalhes do sistema. Ao contrário, é uma quantidade que não é alterada facilmente!
O efeito Hall quântico será classificado a partir de um invariante topológico. ***FASE DE BERRY***
A fase de Berry vem do fato de que os autovetores são diferentes em tempos diferentes.
Então por que nunca estudamos a
fase Berry antes em mecânica
Porque o vetor potencial de Berry é dependente de Gauge!
Função completamente arbitrária! Então sempre é possível escolher um potencial vetor, tal que a fase de Berry
A Fase de Berry é real:
A Fase de Berry depende de derivadas dos
autovetores e é dependente de Gauge,
Buscando inspiração no eletromagnetismo...usando o teorema de Stokes:
Assim obtemos a curvatura de Berry (invariante de Gauge)
Um tipo de “campo magnético” no espaço de R.
Sejam m e n autovetores do Hamiltoniano, então
Reescrevendo a Fase de Berry....
Assim chegamos na equação final para a fase de Berry:
Mas e se Em=En (niveis degenerados) no denominador da Eq. acima??? Mas e se Em=En (niveis degenerados) no denominador da Eq. acima???
Portanto:
Usando o fato de que a fase de Berry deve ser real:
Basta calcula a Fase de Berry para um dos niveis de energia
Vamos fazer duas aplicações: (i) Dirac não massivo;
(ii) Spin-S em um campo Magnético;
Fase de Berry para partícula não massiva de spin-1/2.
Gradiente do Hamiltoniano.
Os autovetores do Hamiltoniano: Os autovetores do Hamiltoniano:
Portanto
Para obter a fase de Berry basta calcular o fluxo desse vetor
Usando o teorema de Gauss temos:
Assim
Para obter a fase de Berry basta calcular o fluxo desse vetor
Usando o teorema de Gauss temos:
RESUMO ATÉ AQUI:
• Isolantes Topológicos são um novo estado da matéria que não podem ser descritos por quebra espontânea de simetria.
• O estado Hall quântico é um estado Topológico, pois não é descrito atrevés de um parâmetro local, como a Magnetização para o ferromagnetismo.
ferromagnetismo.
• A fase de Berry é um invariante topológico, pois depende apenas dos autovetores da teoria. O número de Chern é a fase de Berry dividido por 2 \pi.
RESTAM AS PERGUNTAS:
• Como classificar o efeito Hall quântico através da fase de Berry???
• O estado Hall quântico não quebra nenhuma simetria???
FASE DE BERRY E
FASE DE BERRY E
CONDUTIVIDADE HALL
CONDUTIVIDADE HALL
CONDUTIVIDADE HALL
CONDUTIVIDADE HALL
RESUMO ATÉ AQUI:
• Isolantes Topológicos são um novo estado da matéria que não podem ser descritos por quebra espontânea de simetria.
• O estado Hall quântico é um estado Topológico, pois não é descrito atrevés de um parâmetro local, como a magnetização para o ferromagnetismo.
ferromagnetismo.
• A fase de Berry é um invariante topológico, pois depende apenas dos autovetores da teoria. O número de Chern é a fase de Berry dividido por 2 \pi.
Vamos precisar discutir a evolução adiabática: Eq. De Schrodinger: 0 1 2 3 ... Gap
Os coeficientes são dados por:
Os teorema adiabático em “ordem zero” é:
Quando os parâmetros variam adiabaticamente, os autovetores instantâneos do Hamiltoniano não mudam! Não ocorrem transições de um estado n
para um estado m. Note que aqui supomos um gap de energia entre esses estados!
Não queremos essa solução....
Em primeira ordem, temos
Usando o teorema adiabático quântico...
Obtemos as condutividades elétricas longitudinais e transversais
Como obter a condutividade Hall em uma descrição contínua??
Condição de causalidade
O grande interesse é a condutividade elétrica d.c
Em um modelo com interação U(1), temos
...
RESTAM AS PERGUNTAS (E AS DE VOCÊS....)
Como classificar o efeito Hall quântico através da fase de Berry
A Condutividade Hall é a integral da curvatura de Berry, em toda a primeira zona de Brillouin, de todas as bandas preenchidas.
• O estado Hall quântico não quebra nenhuma simetria??? ESSE VALOR É QUANTIZADO??
SIM, pois os autovetores admitem um único valor para cada ponto do SIM, pois os autovetores admitem um único valor para cada ponto do
espaço dos parâmetros espaço dos parâmetros
SIMETRIA DE INVERSÃO TEMPORAL T
As Leis físicas são invariantes sobre T. Simetria discreta.
Não é facilmente quebrada.
Um campo magnético externo viola T.
Antes de 2005 acreditava-se que o efeito Hall quântico implicava violação de T.
Efeito Hall quântico de spin NÂO VIOLA T. Mas, o efeito Hall quântico inteiro quebra T.
SIMETRIA DE INVERSÃO TEMPORAL T: Partícula sem spin
Precisamos que a relação canônica de comutação seja invariante por T
Portanto
T Conjugação complexa. T Operador antiunitário.
Simetria T: Partículas sem spin no cristal
O que ocorre com os operadores no espaço de posição e momento?
Simetria T: Partículas sem spin no cristal
Primeira consequência: Partículas sem /com spin e com invariância de T não podem apresentar efeito Hall quântico!
F(k)+F(-k)=0!! F(k)+F(-k)=0!!
Simetria T: Partículas com spin
Rotação de pi em torno do eixo-y.
Simetria T: Partículas com spin-1/2
Simetria T: O teorema de Kramer: spin ½.
Considere um Hamiltoniano invariante por T, logo
Seja Um autoestado de H, então Também é autoestado de H. com a mesma energia E.
Simetria T: Elétrons com spin na rede.
O Hamiltoniano genérico é
O operador T muda o spin:
Com base nessas relações é possível mostrar que
O operador T modifica o Hamiltoniano de Bloch k -k, esse operador atua apenas nos orbitais de spin!
Simetria T: Elétrons com spin na rede.
Para os autoestados |u> do Hamiltoniano de Bloch
Existem pontos do espaço de momento onde o Hamiltoniano de Existem pontos do espaço de momento onde o Hamiltoniano de Bloch é invariante. Nesses podemos aplicar o teorema de
kramers, por exemplo os valleys do grafeno.
Conclusão: Não há dupla degenerescência, pois k - k e h(k) é diferente de h(-k). Exceto para um conjunto particular de pontos G/2, no qual h(G/2)=h(-G/2), a dupla degenerescência é preservada!.
RESUMO ATÉ AQUI:
,
• A FASE DE BERRY é uma quantidade topológica, pois está codificada nos autovetores da teoria.
• Condutividade Hall é a soma das fases de Berry de todas as bandas preenchidas dividido por 2 \pi o que é igual ao número de Chern.
• A fórmula de Kubo é equivalente ao resultado obtido via teoria de banda.
AMANHÃ:
O GRAFENO
Descoberto experimentalmente em 2004 (A.Geim e K. Novoselov, prêmio Nobel 2010).
Uma camada fina de átomos de carbono. Átomos de carbono fortemente arranjados em uma rede hexagonal.
Material extremamente leve ~ 0.77 mg/m², melhor condutor elétrico e térmico (T ambiente) conhecido pelo homem.
A. Bernevig, 2013. Livro sobre isolantes topológicos e teoria do efeito Hall quântico de Spin (Modelo BHZ).
Elétrons livres no grafeno
Modelo tight-binding
Transformada de Fourier (desconsiderando o spin...)
Elétrons livres no grafeno
Partículas de Dirac sem massa nas proximidades dos
pontos K e K’!
Efeito Hall quântico relativístico no grafeno
Novos níveis de energia de Landau
Resultados importantes sobre o grafeno:
1- Paradoxo de Klein;
2-Efeito Hall quântico inteiro em T ambiente;
3- Efeito Hall quântico fracionário;
Interação!
4- Renormalização da velocidade de Fermi;
Interação!
5- Produção de pseudo campo magnético de 600 Tesla
através de tensão mecânica;
Geração de um gap de energia (massa) no ponto de
Dirac???
Paradoxo ou tunelamento de Klein
Partícula na presença de uma barreiraSolução para uma partícula clássica
Partícula atravessa a barreira.
Paradoxo ou tunelamento de Klein
Partícula na presença de uma barreiraSolução para uma partícula quântica não relativística.
Paradoxo ou tunelamento de Klein
Para uma partícula de Dirac? Agora temos partículas com energia negativa. A. Geim et al, Nat. Phys. (2006).
Renormalização da velocidade de Fermi
Relevância das interações no grafeno;Invariância de Lorentz no limite de densidade zero;
Pseudo campo magnético de 300 T no grafeno
Gerado por deformação mecânica (strain);Acopla com sinal diferente em valleys diferentes;
Possibilidade de estudar elétrons em espaços curvos; A. H. Castro Neto et al, Science. (2010).
Grafeno massivo: Modelo para um isolante topológico
Generalização: Generalização:
Conexão de Berry
Diagonalizando o Hamiltoniano h:Conexão de Berry
Conexão de Berry
Integrando a conexão de Berry sobre a superfície de Fermi...
Curvatura de Berry
Finalmente podemos obter a curvatura de Berry para o caso de um isolante (tomamos as soluções para E-)
O número de Chern
A integral da curvatura de BerryAnomalia de Paridade?
Efeito Hall quântico anômalo.
O Hamiltoniano mais geral em 2-d para descrever um sistema com duas bandas é:
Aplicando a fórmula de Kubo para a componente transversa:
Efeito Hall quântico anômalo.
A componente transversa é:
Podemos resolver a soma sobre as frequências de Matsubara:
Efeito Hall quântico anômalo.
Subtração do termo de frequência zero:
Portanto...
Efeito Hall quântico anômalo.
Substituindo a expressão para as correntes:
Efeito Hall quântico anômalo.
Supondo que exista um gap de energia:
Potencial químico dentro do gap: banda de valência preenchida e de
Efeito Hall quântico anômalo.
de valência preenchida e de condução vazia.
Condutividade transversa para Dirac massivo:
Hamiltoniana de Dirac massivo:Condutividade transversa para Dirac massivo:
A diferença entre as condutividades para massa positiva e negativa fornecem uma condutividade Hall inteira!
Mas
Mas aa condutividadecondutividade HallHall nãonão éé quantizada?quantizada?
Existe um salto de condutividade ao fechar e abrir o gap (quando “m” atravessa um valor negativo para um positivo, necessariamente existe um ponto no qual m=0!). Isso é uma transição entre estados topológicos.
A teoria na rede captura a quantização melhor que a teoria contínua!? Segundo A. Bernevig, devido a problema de regularização nenhuma teoria contínua seria capaz de capturar a quantização exata na condutividade Hall.
Em 1989 A. Coste and Luscher mostraram que ao impor LARGE GAUGE TRANSFORMATION INVARIANCE na teoria de Dirac sem massa, nós recuperamos a quantização exata no termo de Chern-Simons (o que implica quantização da condutividade Hall). Em 2015, esse resultado foi interpretado como o efeito Hall quântico de valley no grafeno.
Condutividade transversa para Dirac massivo:
Mas como abrir o gap no grafeno?Potencial químico nas subredes A e B? Semenoff, 1984. Fluxo alternado de campo magnético? Haldane PRL, 1989.
Influência de substratos (h-BN, hexagono com Boron e Nitrato)~53 meV. Interação spin-órbita, elétron-elétron?
Teoria de Dirac na rede:
Sistema sem gap nesses pontos. Somente nessas transições ocorre
Teoria de Dirac na rede:
Em primeira ordem: Teoria de Dirac Em primeira ordem: Teoria de Dirac
Em segunda ordem: Versão do modelo BHZ (Efeito Hall quântico de Spin), i.e, uma componente diagonal do modelo BHZ.
Efeito Hall quântico de spin
Isolante topológico que preserva a simetria T. Sem campo magnético externo. Acumulo de corrente de spin nas bordas.
Primeiro foi idealizado por Kane e Mele (2005) para o grafeno, mas como a interação spin-órbita não é grande (átomos de carbono são leves), então em 2006 Bernevig, Hughes e Zhang (BHZ) propuseram um novo modelo adequado para barreiras de HgTe. Em 2007 foi verificado experimentalmente por Molenkamp et al.
O Estado de Borda e de Energia Zero
Embora falamos de correntes na borda, até agora tudo que fizemos foi calcular quantidades no bulk (centro).
Equação De Dirac Equação De Dirac
O Estado de Borda e de Energia Zero
Usando a Eq. de Dirac, temos
Procurando por soluções com E=0 (estados de borda).
O Estado de Borda e de Energia Zero
Solução final:
Propriedades:
Localizado nas bordas:
Propaga-se na direção x. Estado quiral.
E=0, modo de energia zero, outra indicação que está na borda. Correspondência
Correspondência bulk-edge (centro-borda)
Propriedades:O número de Chern é a diferença entre o número de estados de borda que se propagam para a direita e os que se propagam para a esquerda. Esses estados devem cruzar a energia de Fermi.
O número de Chern não pode ser modificado por mudanças adiabáticas no Hamiltoniano.
Essa quantidade depende de detalhes do Hamiltoniano, ou seja, é uma Essa quantidade depende de detalhes do Hamiltoniano, ou seja, é uma informação “codificada” nos autovetores do bulk.
Supercondutores Topologicos
Férmions de Majorana:Soluções reais para a Eq. De Dirac.
O férmion de Majorana é a sua própria anti-partícula.
Decomposição em férmions de Majorana sempre é possível. Férmions de Majorana não são férmions!.
Física de partículas: Neutrino??? Física de partículas: Neutrino??? Matéria condensada:
Estados de borda de uma nanofita na proximidade de um supercondutor, ex: cadeia de Kitaev.
Relevância para computação quântica. Estados topologicamente protegidos podem formar qubits protegidos contra desordem e interação com o ambiente. Estatística não abeliana.
Cadeia de Kitaev
Fio quântico em cima de um supercondutor 3-d;
Devido a presença do supercondutor a simetria U(1) deve ser quebrada; Devido a presença do supercondutor a simetria U(1) deve ser quebrada;
mas vamos preservar a simetria Z2
Cadeia de Kitaev
Modelo 1-d; Elétron com um único spin!, vamos dizer s=+1/2.
Potencial químico. Supercondutor tipo-p. Momento angular não nulo.
Quebra U(1). Parâmetro de salto
Cadeia de Kitaev
Usando a transformada de Fourier em 1-d.
Energia cinética deslocada, devido ao potencial químico
Cadeia de Kitaev
O Hamiltoniano de Bloch éCadeia de Kitaev
Usando a propriedade conhecida:Os autovalores da cadeia de Kitaev são
Gap?
Cadeia de Kitaev
Invariante topológico da cadeia de Kitaev:
Fase não trivial. Estados de borda, quais?
Fase trivial. Sem estados de borda
Fase de Majorana
Cadeia de Kitaev
Quem são os estados de borda? Escolhendo a fase não trivial
6. REFERÊNCIAS PRINCIPAIS
[1] 3 * 3 & 9 < A 9 2 & 8)$ [2] < 1 < ?>B9 >B B < B < 8)C < B < 8)C [3] 7 D ; E F < + 2 2 & 8)C GCH F D 1 7 D D > 9 ; ; 8)C[5] * A 7 + 1 5 + D I = ; + & & * = 5 I & J D K) )8L% 88L(