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

Bán kim loại Weyl chứa các điểm Weyl trong vùng Brillouin. Các điểm này là nơi vùng dẫn và vùng hóa trị chạm nhau. Mỗi điểm Weyl mang tính chiral xác định, dương hoặc âm. Độ cong Berry tập trung tại các điểm này. Tính chiral dị thường dẫn đến hiệu ứng từ chiral độc đáo. Hiệu ứng Hall dị thường xuất hiện mạnh mẽ trong WSM. Cấu trúc vùng năng lượng có dạng côn tuyến tính quanh điểm Weyl. Các trạng thái bề mặt hình cung Fermi kết nối các điểm Weyl có tính chiral đối ngược.

Bán kim loại Dirac có điểm Dirac bốn lần suy biến. Điểm này có thể tách thành hai điểm Weyl khi phá vỡ đối xứng. Trạng thái bề mặt topo được bảo vệ khỏi tán xạ ngược. Độ linh động hạt tải đạt giá trị cực cao. Tương tác spin-quỹ đạo đóng vai trò quan trọng. Hiệu ứng Hall lượng tử dị thường xuất hiện dưới điều kiện nhất định. Cấu trúc vùng năng lượng thể hiện phổ tuyến tính theo động lượng. DSM là nền tảng cho siêu dẫn topo trong tương lai.

Bán kim loại topo mở ra nhiều ứng dụng công nghệ. Thiết bị quang-từ tận dụng hiệu ứng Kerr tăng cường. Cảm biến từ có độ nhạy cực cao nhờ hiệu ứng Hall dị thường. Điện tử học spin sử dụng truyền dẫn phụ thuộc spin. Điện toán lượng tử khai thác trạng thái được bảo vệ topo. Điện tử tốc độ cao dựa vào độ linh động cao. Bộ nhớ từ mới có hiệu suất vượt trội. Các thiết bị này hứa hẹn cách mạng hóa công nghệ thông tin.

Giếng lượng tử WSM thể hiện độ cảm dọc và độ cảm Hall phức tạp. Độ cảm phụ thuộc vào hướng phân cực ánh sáng. Trong mặt phẳng (x,y), độ cảm có giá trị khác với phương z. Nhiệt độ tăng làm giảm độ cảm do tán xạ phonon. Từ trường ngoài tạo ra dao động lượng tử trong độ dẫn. Điện trường điều chỉnh mức năng lượng và khoảng cách giữa các mức. Hệ pha tạp có độ cảm thấp hơn hệ không pha tạp. Sự thâm nhập từ trường tạo ra các mức Landau không đều. Mức Landau cao hơn xuất hiện ở từ trường mạnh hơn.

Các tấm DSM có độ dẫn dọc và độ dẫn Hall đặc trưng. Phổ năng lượng không phụ thuộc căn bậc hai từ trường. Điều này phân biệt DSM với bán dẫn truyền thống. Từ trường cao phá vỡ đối xứng electron-lỗ trống. Pha topo mới xuất hiện trong điều kiện từ trường mạnh. Điện trở suất thay đổi phi tuyến theo từ trường. Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ dẫn qua tán xạ phonon. Mật độ hạt tải điều chỉnh vị trí mức Fermi. Chuyển đổi từ bán kim loại sang bán dẫn có thể kiểm soát bằng điện trường.

Hiệu ứng Hall từ trong bán kim loại topo cực kỳ mạnh. Độ cong Berry góp phần chính vào hiệu ứng Hall dị thường. Từ trở xuất hiện do tán xạ phụ thuộc spin. Từ trở âm quan sát được trong một số điều kiện. Hiệu ứng từ chiral liên quan đến sự bất đối xứng chiral. Độ dẫn Hall tỷ lệ với độ cong Berry tích phân. Từ trường ngoài điều chỉnh cường độ hiệu ứng Hall. Nhiệt độ thấp làm tăng độ rõ nét của dao động lượng tử. Các hiệu ứng này hữu ích cho cảm biến từ và bộ nhớ.

Hệ số hấp thụ quang-từ đặc trưng cho tương tác ánh sáng-vật chất. MOAC phụ thuộc vào tần số ánh sáng tới và từ trường. Các đỉnh hấp thụ tương ứng với chuyển dời giữa các mức Landau. Điện trường làm dịch chuyển vị trí các đỉnh hấp thụ. Từ trường mạnh tạo ra nhiều đỉnh hấp thụ hơn. Nồng độ hạt tải cao làm tăng cường độ hấp thụ. Hệ pha tạp có MOAC giảm do tán xạ tạp chất. Phân cực ánh sáng ảnh hưởng đến quy tắc lựa chọn chuyển dời. Nhiệt độ thấp làm sắc nét các đỉnh hấp thụ.

Độ thay đổi chiết suất liên quan mật thiết với hấp thụ quang học. RIC tuân theo quan hệ Kramers-Kronig với MOAC. Từ trường làm thay đổi chiết suất qua hiệu ứng từ-quang. Điện trường điều chỉnh RIC thông qua thay đổi mức năng lượng. Các đỉnh RIC xuất hiện gần các đỉnh hấp thụ. Nồng độ hạt tải ảnh hưởng đến độ lớn RIC. Hệ không pha tạp có RIC lớn hơn hệ pha tạp. Nhiệt độ tăng làm giảm độ sắc nét của các đặc trưng RIC. RIC quan trọng cho thiết kế các thiết bị điều chế quang.

Pha tạp làm thay đổi đáng kể tính chất hấp thụ quang-từ. Tạp chất tạo ra tán xạ bổ sung, giảm thời gian sống của trạng thái. MOAC giảm và các đỉnh hấp thụ bị mở rộng trong hệ pha tạp. Từ trường lượng tử hóa phổ năng lượng thành các mức Landau. Khoảng cách giữa các mức Landau tỷ lệ với cường độ từ trường. Từ trường mạnh tạo ra nhiều chuyển dời quang học hơn. Sự cạnh tranh giữa pha tạp và từ trường quyết định phổ hấp thụ. Điện trường có thể bù trừ một phần ảnh hưởng của pha tạp.

Phonon là dao động lượng tử của mạng tinh thể. Phonon dọc có dao động dọc theo hướng truyền sóng. Phonon ngang có dao động vuông góc với hướng truyền. Phonon quang và phonon âm có tần số đặc trưng khác nhau. Tương tác electron-phonon xảy ra qua tương tác spin-quỹ đạo. Tán xạ phonon làm giảm độ linh động hạt tải. Cường độ tương tác phụ thuộc vào hằng số ghép electron-phonon. Nhiệt độ cao tăng số phonon và tăng tán xạ. Giả thuyết phonon khối đơn giản hóa tính toán trong tấm mỏng.

Tương tác electron-phonon làm thay đổi đáng kể MOAC. Tán xạ phonon làm mở rộng các đỉnh hấp thụ. FWHM tăng khi tăng nhiệt độ do phonon nhiều hơn. Cường độ đỉnh hấp thụ giảm khi có tương tác phonon. Các loại phonon khác nhau đóng góp khác nhau vào MOAC. Phonon dọc thường có đóng góp mạnh hơn phonon ngang. Hấp thụ hai photon trở nên quan trọng ở cường độ ánh sáng cao. Quá trình hai photon mở rộng vùng phổ hấp thụ. Phương pháp nhiễu loạn cho kết quả chính xác ở ghép yếu.

Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến tương tác electron-phonon. Nhiệt độ cao tăng số phonon theo phân bố Bose-Einstein. MOAC giảm và FWHM tăng khi nhiệt độ tăng. Từ trường tạo ra các mức Landau trong phổ năng lượng. Kết hợp từ trường và phonon tạo ra hiệu ứng phức tạp. Từ trường mạnh có thể áp đảo hiệu ứng phonon. Dao động lượng tử trong MOAC bị làm mờ bởi tán xạ phonon. Nhiệt độ thấp cần thiết để quan sát rõ cấu trúc lượng tử. Mật độ hạt tải cũng ảnh hưởng đến cường độ tương tác.

Phương pháp Kubo là công cụ mạnh để tính độ dẫn điện. Độ dẫn liên hệ với hàm tương quan dòng điện. Công thức Kubo tính độ dẫn từ hàm Green. Phương pháp này áp dụng cho hệ tương tác yếu. Độ dẫn dọc và độ dẫn Hall được tính riêng biệt. Phần thực của độ dẫn cho dòng điện đồng pha. Phần ảo liên quan đến độ cảm điện môi. Phương pháp Kubo cho kết quả chính xác ở nhiệt độ thấp. Tán xạ được đưa vào qua thời gian hồi phục.

Ma trận mật độ mô tả đầy đủ trạng thái lượng tử của hệ. Phương trình chuyển động cho ma trận mật độ là phương trình Liouville. Ma trận mật độ cân bằng theo phân bố Fermi-Dirac. Phương trình chuyển động tính toán đáp ứng của hệ với nhiễu loạn. Phương pháp này áp dụng cho tương tác ánh sáng-vật chất. Độ phân cực cảm ứng tính từ phần tử ma trận chuyển dời. Tốc độ tán xạ đưa vào qua số hạng giảm chấn. Ma trận mật độ tối thiểu giảm độ phức tạp tính toán. Phương pháp này hiệu quả cho hệ nhiều mức năng lượng.

Phương pháp nhiễu loạn xử lý tương tác electron-phonon. Tương tác được coi như nhiễu loạn nhỏ của Hamiltonian. Khai triển nhiễu loạn bậc nhất cho đóng góp chính. Bậc cao hơn cần thiết cho tương tác mạnh. Hằng số ghép electron-phonon là tham số đầu vào. Ma trận tán xạ tính từ quy tắc vàng Fermi. Tốc độ tán xạ tỷ lệ với bình phương phần tử ma trận. Tích phân trên không gian pha cho tổng tốc độ tán xạ. Phương pháp profile làm mịn phổ hấp thụ rời rạc.

Thiết bị quang-từ dựa trên hiệu ứng từ-quang Kerr mạnh. Điều chế quang từ có tốc độ cao và tiêu thụ năng lượng thấp. Bộ cách ly quang sử dụng hiệu ứng Faraday không đối hợp. Điện tử học spin truyền thông tin qua spin thay vì điện tích. Dòng spin thuần túy không kèm dòng điện tích. Van spin có tỷ số từ trở khổng lồ. Bộ nhớ từ spin-transfer torque ghi nhanh và bền. Transistor spin có tiêu thụ năng lượng cực thấp. Trạng thái bề mặt topo bảo vệ spin khỏi tán xạ.

Điện toán lượng tử cần qubit ổn định chống nhiễu. Trạng thái Majorana trong siêu dẫn topo là qubit topo. Qubit topo được bảo vệ khỏi nhiễu cục bộ. Bán kim loại topo là nền tảng cho siêu dẫn topo. Giao diện bán kim loại-siêu dẫn tạo ra trạng thái Majorana. Tính topo bảo vệ thông tin lượng tử. Cổng lượng tử thực hiện bằng tết bím Majorana. Điện toán lượng tử topo có khả năng chịu lỗi cao. Nghiên cứu thực nghiệm đang tiến gần đến qubit topo thực tế.

Cảm biến từ dựa trên hiệu ứng Hall dị thường có độ nhạy cao. Từ trở khổng lồ cho phép đo từ trường yếu. Ứng dụng trong y học như đo từ não đồ và từ tim đồ. Cảm biến vị trí và tốc độ trong công nghiệp ô tô. Hiệu ứng nhiệt điện mạnh trong bán kim loại topo. Hệ số Seebeck lớn cho phép chuyển đổi nhiệt-điện hiệu quả. Ứng dụng trong thu hồi nhiệt thải và làm mát nhiệt điện. Vật liệu topo có thể cải thiện hiệu suất pin nhiệt điện. Nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa vật liệu cho ứng dụng thực tế.