Effects of symmetry breaking in low dimensional materials

Abstract

[EN] The dimensionality of the system plays a decisive role in the behavior of the electronic dynamics of interacting electrons. In particular, the quasi-2D dimensionality is responsible for the unusual behavior observed in graphene-like materials and layered van-der-Waal systems. Moreover, such effects are also observed for superconducting materials of high critical temperature, even in the normal state, due to their low-dimensionality.

The experimental study of graphene triggered a growing attention to respective electronic properties, because the honeycomb lattice defines a band structure with two nodal points in the Brillouin zone which determines a relativistic Dirac-type electronic dynamics. Within a theoretical framework, many properties of single-layer graphene have been studied to allow further characterization of this material. These properties are unconventional due to the unique band structure of graphene, which is described in terms of Dirac fermions, creating links with certain theories of particle physics. In fact, several theoretical groups have employed phenomenological models inspired in quantum cromodynamics (i.e. Nambu-Jona Lassino and Gross-Neveu models) applied to the study of graphene properties. These properties are responsible for the unusual phenomena, such as the fractional Hall effect, which allows the possibility for magnetic catalysis of an excitonic gap, ferromagnetism and superconductivity.

The research of high critical temperature superconductors with impurity centers is significant for understanding the underlying physics of such disordered systems. While the cuprate family present insulating properties in the pristine state, the undoped iron pnictides (i.e. LaOFeAs) show a semi-metallic behavior. Inspite these diferences, both compounds are layered structures, where the superconducting state is supported by a quasi-2D square lattice. While for iron pnictides this state is formed by the FeAs layer, the cuprate superconducting state is formed by the CuO layer.

The current work focuses on the theoretical study of the structural, electronic and optical properties of graphene-type materials, such as bilayer graphene; and also of s- and d-wave superconductors, more specifically iron pnictides and cuprates, respectively. Furthermore, disordered systems will be focused upon since these (quasi-)2D systems are quite sensitive to disorder. Such properties have major importance for technological device applications, as can be observed in the increasing technological fields of high temperature superconductores and electronic devices. The type of perturbations applied to the systems of interest are chemical impurities and/or external electric bias, and these show variations of the electronic and optical properties when compared to the pristine systems.

[ES] La dimensionalidad de un sistema juega un papel fundamental en la conducta de la dinámica de los electrones que interactúan. En particular, la dimensionalidad cuasi-2D es responsable del comportamiento inusual observado en materiales de tipo grafeno y sistemas laminares basados en enlaces de tipo van der Waals. Además, estos efectos también se observan en materiales superconductores de alta temperatura crítica, incluso en el estado normal, debido a su baja dimensionalidad.

El estudio experimental del grafeno provocó una atención creciente a sus propie-dades electrónicas, porque su estructura en forma de panal de abejas da lugar a una estructura de bandas con dos puntos nodales en la zona de Brillouin que determina una dinámica electrónica relativista de tipo Dirac. En el plano teórico, muchas propiedades del grafeno de una sola capa se han estudiado para permitir una mayor caracterización de este material. Estas propiedades son poco convencionales debido a la singular estructura de bandas del grafeno, que se describe en términos de fermiones de Dirac, lo que crea vínculos con ciertas teorías de la física de partículas. De hecho, varios grupos teóricos han empleado modelos fenomenológicos inspirados en la cromodinámica cuántica (es decir, los modelos Nambu-Jona Lassino y Gross-Neveu) aplicados al estudio de las propiedades del grafeno. Estas propiedades son responsables de inusuales fenómenos, como el efecto Hall fraccionario, que permite la posibilidad de catálisis magnética de un gap excitónico, ferromagnetismo y superconductividad.

La investigación de superconductores de alta temperatura crítica con centros de impurezas es importante para comprender la física subyacente de tales sistemas desordenados. Mientras que la familia de los cupratos presenta propiedades aislantes en estado prístino, los pnictogenuros de hierro sin dopar (es decir, LaOFeAs) muestran un comportamiento semimetálico. A pesar de estas diferencias, ambos compuestos son estructuras en capas, donde el estado superconductor está respaldado por una red cuadrada cuasi-2D. Mientras que para los pnictogenuros de hierro este estado está formado por la capa de FeAs, el estado superconductor de cuprato está formado por la capa de CuO.

El presente trabajo se centra en el estudio teórico de las propiedades estructurales, electrónicas y ópticas de los materiales de tipo grafeno, como el grafeno bicapa; y también de superconductores de ondas s y d, más específicamente pnictogenuros y cupratos de hierro, respectivamente. Además, se hace hincapié en sistemas desordenados ya que estos sistemas (cuasi-)2D son bastante sensibles al desorden. Tales propiedades tienen gran importancia para aplicaciones de dispositivos tecnológicos, como se puede observar en la creciente tecnología campos de tensiotrónica y espintrónica. El tipo de perturbaciones aplicadas a los sistemas de interés son las impurezas químicas y campos eléctricos externos. Estas perturbaciones producen variaciones de las propiedades electrónicas y ópticas cuando se comparan con los sistemas prístinos.

[CAT] La dimensionalitat d'un sistema juga un paper fonamental en la conducta de la dinámica dels electrons que interactúen. En particular, la dimensionalitat cuasi-2D és responsable del comportament inusual observat a materials de tipus grafè i sistemes laminars basats en enllaços de tipus van der Waals. A més a més, aquestos efectes també s'observen a materials superconductors d'alta temperatura crítica, inclús al seu estat normal, degut a la seua baixa dimensionalitat.

L'estudi experimental del grafè va produir una atenció creixent a les seues propietats electròniques, perque la seua estructura en forma de panal d'abelles dona lloc a una estructura de bandes amb dos punts nodals a la zona de Brillouin que determinen una dinámica electrónica relativista de tipus Dirac. Al planol teòric, moltes propietats del grafè d'una sola capa s'han estudiat per a permetre una major caracterizació d'aquest material. Aquestes propietat són poc convencionals degut a la singular estructura de bandes del grafè, que es descriu mitjançant fermions de Dirac. Aquestos fermions permeten establir víncles amb certes teories de la física de particles. De fet, alguns grups teòrics han empleat models fenomenològics inspirats a la cromodinàmica quàntica (es a dir, els models Nambu-Jona Lassino i Gross-Neveu) aplicats a l'estudi de les propietats del grafè. Aquestes propietats són responsables d'inusuals fenómens, com l'efecte Hall fraccionari, que permet la possibilitat de catálisi magnètica d'un gap excitònic, ferromagnetisme i superconductivitat.

La investigació de superconductors d'alta temperatura crítica amb centres d'impureses és important per a comprendre la física subjacent de tals sistemes desordenats. Mentre que la família dels cuprats presenta propietats aïllants en estat pristí, els pnictogenurs de ferro sense dopar (és a dir, LaOFeAs) mostren un comportament semimetálico. Malgrat aquestes diferències, tots dos compostos són estructures en capes, on l'estat superconductor està recolzat per una xarxa quadrada quasi-2D. Mentre que per als pnictogenurs de ferro aquest estat està format per la capa de FeAs, l'estat superconductor dels cuprats està format per la capa de CuO.

El present treball es centra en l'estudi teòric de les propietats estructurals, electròniques i òptiques dels materials de tipus grafè, com el grafè bicapa; i també de superconductors d'ones s i d, més específicament pnictogenurs i cuprats de ferro, respectivament. A més a més, es fa emfasi en sistemes desordenats ja que aquestos sistemes (cuasi-)2D són prou sensibles al desordre. Aquestes propietats tenen gran importància per a aplicacions de dispositius tecnològics, com es pot observar a la creixent tecnologia dels camps de la tensiotrònica i l'espintrònica. El tipus de pertorbacions aplicades als sistemes d'interés són les impureses químiques i els camps elèctrics externs. Aquestes pertorbacions produeixen variacions de les propietats electròniques i òptiques quan es comparen amb els sistemes pristins.