Luận án tiến sĩ: Tính chất truyền dẫn từ bán kim loại topo - Lê Thị Hóa

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỊ HÓA TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HUẾ, 2024 ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM LÊ THỊ HÓA TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ VÀ TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO Ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 9 44 01 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học PGS. HUỲNH VĨNH PHÚC PGS. LÊ THỊ THU PHƯƠNG HUẾ, 2024 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Bán kim loại Weyl (WSM) có các điểm Weyl độc đáo trong cấu trúc vùng điện tử, mỗi điểm Weyl hoạt động như một nguồn và phần chìm của độ cong Berry cùng với tính chiral dị thường, góp phần tăng cường hiệu ứng từ-quang Kerr, khiến chúng trở thành ứng cử viên đầy triển vọng đối với các thiết bị quang-từ.

Ngoài ra, đặc trưng topo của WSM làm phát sinh các hiện tượng quang-từ độc đáo, chẳng hạn như hiệu ứng từ chiral và hiệu ứng Hall dị thường. Bán kim loại Dirac (DSM) có độ linh động hạt tải cao, các trạng thái bề mặt được bảo vệ do tính topo giúp chống lại các tác nhân bên ngoài, điều này dẫn đến các hiện tượng kỳ lạ như hiệu ứng Hall lượng tử dị thường và siêu dẫn topo dưới những điều kiện nhất định. Tương tác spin-quỹ đạo (SOC) mạnh của chúng gây ra các hiện tượng truyền dẫn phụ thuộc spin mới. Những tính chất vừa kể trên làm cho DSM trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng trong điện tử tốc độ cao, điện tử học spin, điện toán lượng tử và các công nghệ tương lai khác.

Nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ đóng vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu tính chất vật lý cơ bản của vật liệu và có ứng dụng thiết thực trong việc phát triển các thiết bị điện tử, cảm biến và công nghệ điện tử học spin. Tính chất hấp thụ quang-từ là một là một trong những chủ đề hấp dẫn nhất vì nó phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc điện tử của vật liệu. Nghiên cứu hệ số hấp thụ quang-từ (MOAC) cho phép chúng ta hiểu được cách mà vật liệu hấp thụ ánh sáng từ các phạm vi khác nhau của quang phổ. Nghiên cứu độ thay đổi chiết suất (RIC) đóng vai trò quan trọng trong khoa học vật liệu.

Ngoài ra, tán xạ electron-phonon có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất quang của các hệ bán dẫn thấp chiều. Từ những lí do trên đây, chúng tôi đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án tiến sĩ là: “Tính chất truyền dẫn từ và tính chất hấp thụ quang-từ của một số vật liệu bán kim loại topo”. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ và tính chất hấp thụ quang-từ của một số vật liệu bán kim loại topo. Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ của của giếng lượng tử WSM và một số tấm DSM; Nghiên cứu tính chất hấp thụ quang-từ khi không xét ảnh hưởng của tương tác electron-phonon của hệ màng mỏng WSM; Nghiên cứu tính chất hấp thụ quang-từ bao gồm MOAC và FWHM của các tấm DSM dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon.

Nội dung nghiên cứu a. Về tính chất truyền dẫn từ Xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số độ cảm dọc và độ cảm Hall của giếng lượng tử WSM. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, sự thâm nhập 1 từ trường, điện trường, hướng phân cực của ánh sáng lên chúng trong mặt phẳng (x, y) và theo phương z trong cả hai trường hợp WSM pha tạp và WSM không pha tạp; xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số độ dẫn dọc và độ dẫn Hall cũng như điện trở suất của một số vật liệu DSM. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của từ trường, nhiệt độ, mật độ hạt tải lên chúng.

Về tính chất hấp thụ quang-từ Xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số MOAC và RIC trong hệ màng mỏng WSM. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của điện trường, từ trường, và nồng độ hạt tải lên chúng đối với cả hai trường hợp hệ pha tạp và không pha tạp, xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số MOAC trong các tấm DSM dưới ảnh hưởng của tương tác electron với các loại phonon khác nhau, khi tính đến quá trình hấp thụ hai photon. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp Kubo, phương pháp phương trình chuyển động, phương pháp phương trình ma trận mật độ tối thiểu, phương pháp nhiễu loạn, phương pháp profile. Phạm vi nghiên cứu Bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac, giả thuyết phonon khối, chỉ xét tương tác electron-phonon.

Những đóng góp mới của luận án a. Về lý thuyết - Khi đặt WSM trong một NUMF, các mức Landau bắt đầu tại các giá trị khác nhau của từ trường và mức Landau càng cao thì giá trị của từ trường càng lớn. Ngoài ra, số lượng mức Landau được tìm thấy là hữu hạn. - Phổ năng lượng điện tử trong các DSM không còn phụ thuộc vào căn bậc hai của từ trường, điều này giúp phân biệt bán kim loại Dirac với các hệ bán dẫn truyền thống.

Ngoài ra, khi đặt trong từ trường cao, đối xứng electron-lỗ trống trong phổ các mức Landau bị phá vỡ, hiển thị một pha topo trong các bán kim loại Dirac. Bên cạnh đó, phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng sự chuyển đổi các tính chất của hệ từ bán kim loại sang bán dẫn có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh điện trường ngoài. - Đã giới thiệu phương pháp Kubo. Về vận dụng - Đã nghiên cứu và khảo sát chi tiết độ cảm dọc và độ cảm Hall của WSM; đã khảo sát chi tiết độ dẫn dọc và độ dẫn Hall của DSM khi có mặt của trường ngoài.

Kết quả cho thấy các đại lượng trên đều phụ thuộc đáng kể vào điện trường, từ trường, nhiệt độ, nồng độ hạt tải. - Đã nghiên cứu và khảo sát chi tiết MOAC và RIC của WSM. Kết quả cho thấy hai đại lượng này chịu ảnh hưởng đáng kể của nhiệt độ, nồng độ hạt tải, từ trường và điện trường. Ngoài ra, các dịch chuyển nội vùng và liên vùng mới xuất 2 hiện, điều này do kích thích nhiệt gây ra.

- Đã nghiên cứu tính chất hấp thụ quang-từ của DSM, kết quả cho thấy hành vi dịch chuyển trong trường hợp hệ không pha tạp và hệ pha tạp có sự khác nhau. Ngoài ra, các đỉnh từ quá trình phát xạ phonon mạnh hơn so với hấp thụ phonon, cung cấp kiến thức về tương tác electron-phonon và ảnh hưởng của chúng lên phản ứng quang-từ của các DSM. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Luận án tập trung nghiên cứu hai vật liệu là WSM và DSM. Hai loại vật liệu này có tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng lớn trong khoa học và công nghệ.

Về mặt khoa học, nghiên cứu về hai loại bán kim loại này đã mở ra một lĩnh vực mới trong vật lý chất rắn, nơi mà các đặc tính lượng tử kỳ lạ được khám phá và ứng dụng. WSM và DSM đều có tính chất điện tử đặc biệt, trong đó các fermion có thể mô tả bởi các phương trình Weyl và Dirac. Những fermion này có độ linh động cao tạo nên các tính chất điện và từ đặc biệt. Điều này dẫn đến các hiện tượng lượng tử độc đáo như hiệu ứng từ Hall lượng tử dị thường, dị thường chiral.

Về mặt thực tiễn, các nghiên cứu về bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac có thể dẫn đến những đột phá trong công nghệ điện tử và vật liệu. Các tính chất điện tử đặc biệt của chúng có thể được khai thác để phát triển các thiết bị điện tử siêu tốc, tiết kiệm năng lượng và có hiệu suất cao. Ngoài ra, những vật liệu này có thể được sử dụng trong các ứng dụng quang học và từ tính tiên tiến, chẳng hạn như các cảm biến từ trường nhạy bén hoặc các thiết bị quang học không truyền thống. Hơn nữa, nghiên cứu về các bán kim loại này còn đóng góp vào việc hiểu biết sâu sắc hơn về các hiện tượng lượng tử cơ bản và mối quan hệ giữa vật lý học cơ bản và ứng dụng công nghệ.

Điều này không chỉ mở ra cơ hội phát triển các công nghệ mới mà còn giúp củng cố nền tảng lý thuyết của vật lý hiện đại. Bên cạnh đó, kết quả mà luận án đạt được góp phần khẳng định tính đúng đắn của các phương pháp đã sử dụng trong luận án trong việc khảo sát các quá trình chuyển tải lượng tử trong bán dẫn thấp chiều nói chung và trong các vật liệu bán kim loại topo nói riêng. Bố cục luận án Ngoài mục lục, danh mục từ viết tắt, danh mục hình vẽ, danh mục bảng biểu, danh mục công bố, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính của luận án được chia thành 3 phần: Phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài và bố cục luận án. Phần nội dung gồm 4 chương: chương 1 trình bày một số vấn đề tổng quan; chương 2 trình bày tính chất truyền dẫn từ của một số vật liệu bán kim loại topo; chương 3 trình bày tính chất hấp thụ quang-từ của bán kim loại Weyl khi không xét ảnh hưởng của tương tác electron-phonon; chương 4 trình bày tính chất hấp thụ quang-từ của bán kim loại Dirac dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon.

Phần kết luận trình bày kết quả đạt được của luận án. 3 PHẦN NỘI DUNG Chương 1: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac 1. Giới thiệu về bán kim loại topo Topo là một nhánh của toán học nghiên cứu các tính chất của một vật thể không bị biến đổi bởi những biến dạng liên tục.

Bán kim loại là một loại vật liệu trong đó vùng hóa trị và vùng dẫn có sự chồng lấp nhỏ, dẫn đến mật độ trạng thái xung quanh mức năng lượng Fermi thấp. Bán kim loại topo là một phân lớp đặc biệt của bán kim loại, trong đó các đặc tính điện tử của chúng được bảo vệ bởi các tính chất topo của cấu trúc vùng năng lượng chứ không phải bởi tính đối xứng thông thường như các vật liệu khác. Bán kim loại topo gồm ba loại chính: bán kim loại Weyl, bán kim loại Dirac, và bán kim loại nút dòng. Trong luận án này chúng tôi tập trung vào hai loại đó là bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac.