Transição de fase topológica e transporte eletrônica em grafenos e nanofitas zigzag grafeno tensionados

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Física, 2015.

Uma transição de fase topológica em campo magnético zero entre o efeito Hall quântico de spin (QSH) e Hall quântico anômalo em nanofitas de grafeno é mostrada na presença de campo de exchange interno (EX), strain uniaxial e efeito de acoplamento spin-órbita intrínseco e Rashba (SOCs). Foi descoberto que a intensidade e direção do strain podem ser utilizadas para se ajustar a intensidade crítica dos SOCs nos quais as transições de fase ocorrem. O campo pseudo-magnético induzido por strain acopla os graus de liberdade de spin através do SOC, aumenta a localização dos portadores nos estados de borda (edge-states), estabiliza e pode levar à formação do estado QSH. O SOC-Rashba e EX, por outro lado, quebram a simetria de inversão e a simetria de inversão temporal no grafeno, respectivamente. Valores altos de SOC-Rashba ou EX, entretanto, podem fazer com que o estado QSH seja destruído, produzindo estados quânticos anômalos. Nossos resultados oferecem uma perspectiva promissora da manipulação elétrica, magnética e do strain do efeito QSH, com aplicações potenciais em dispositivos topológicos quânticos dentro do contexto de eletrônica sem dissipação. ______________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

A zero-field topological quantum phase transition between quantum spin hall (QSH) and quantum anomalous hall states in graphene nanoribbons is reported in the presence of internal exchange potential (EX), uniaxial strain, intrinsic, and Rashba spin-orbit couplings (SOCs). We find that both strength and direction of the strain can be exploited to tune the critical SOC strength at which the phase transition takes place. The pseudomagnetic field induced by the strain couples the spin degrees of freedom through SOC, enhances the carrier localization in edge states, stabilizes and even leads to formation of a QSH state. Rashba-SOC and EX, on the other hand, break inversion and TRS of the graphene, respectively. In the regime of small SOC and EX, they only induce an instability of the QSH state. The large Rashba-SOC or EX, however, can even lead the QSH state to be destroyed, producing the quantum anomalous states. Our results offer a tempting prospect of strain, electric, and magnetic manipulation of the QSH effect, with potential application in topological quantum devices within the context of dissipationless electronics.