Strongly correlated electronic systems : influence of electric field and doping.

Datum: 8 juli 2014

Locatie: Campus Groenenborger - Lokaal U0.24 - Groenenborgerlaan 171 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Fysica

Promovendus: Davoud Nasr Esfahani

Promotor: F. Peeters & L. Covaci

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Davoud Nasr Esfahani - Faculteit Wetenschappen - Departement Fysica



Abstract

Recente beperkingen bij het verkleinen inkrimpen van electronische component en die gebaseerd zij op silicium dwingen de industrie om op zoek te gaan naar alternatieven voor silicium. Potentiële alternatieven zijn de zogenaamde sterk gecorreleerde systemen. Deze systemen bestaan uit materialen die transitiemetalen bevatten in hun chemische samenstelling. In een poging om het gedrag van dit soort materialen te beschrijven wordt gebruik gemaakt van varianten van het Hubbard model. In het proefschrift wordt  het effect van externe elektrische velden en dotering op sterk gecorreleerde systemen bestudeerd met behulp van Hubbard Hamiltonianen. Hiertoe maakten we gebruik van verschillende methoden zoals reële ruimte versies van de Gutzwiller benadering (GA) en reële ruimte dynamische gemiddeld veldtheorie (DMFT), alsook methoden voor niet-adiabatische regimes, bv. exacte diagonalisatie gecombineerd met Chebichev propagatie methoden.

 Eerst bekijken we een één-bands Hubbard model in een vlakke geometrie, waarvan we de grondtoestandseigenschappen van een half gevuld systeem bestudeerde wanneer het zich in een elektrisch veld bevindt. We vonden dat de metaal-isolator transitie naar hogere Hubbard repulsies wordt verschoven door het aanleggen van een elektrisch veld loodrecht op het systeem. De voornaamste oorzaak hiervan is de accumulatie van ladingen nabij het oppervlak. De ruimtelijke distributie van het positie afhankelijk quasi-deeltes (QP) gewicht is maximaal  enkele lagen onder het oppervlak, terwijl de centrale posities, waar het elektrisch veld afgeschermd   wordt, een heel klein QP gewicht hebben.

 In een andere studie gebruikten we een inhomogene GA om het effect van een extern elektrisch veld te beschrijven voor een gedoteerd systeem, gemodelleerd met een één-bands Hubbard model. We vonden dat voor lage doteringsconcentraties het QP gewicht exponentieel traag naar de bulk waarde convergeert naarmate men dieper in de plak kijkt, maar voor sterkere dotering verschijnen er additionele Friedel oscillaties nabij het oppervlak. We tonen aan dat de inverse correlatie-lengte een machtsfunctie is van het doteringsniveau. In de aanwezigheid van een elektrisch veld, kunnen er aanzienlijke veranderingen in het QP gewicht optreden doorheen heel het systeem. We vonden een groot verschil (tot vijf grootte-ordes) in het QP gewicht nabij tegengestelde zijdes van de plak. Dit effect kan interessant zijn voor elektronica die gebruik maken van oppervlaktetoestanden voor transport.

 Ook bestudeerden we doterings en oppervlakte effecten op een systeem gemodelleerd met een twee-bands Hubbard model. We beschouwden het effect van de breedte van de geleidingsband en beschouwden  “Narrow” (NB) en “Wide” (WB) banden. Het belangrijkste gevolg van het verschil in breedte van de banden is de aanwezigheid van twee verschillende lengteschalen, overeenstemmend met het QP profiel van elke band. Dit effect wordt versterkt in de nabijheid van de kritische interactie van de NB waar een orbitaal-afhankelijke Mott transitie plaatsvindt en er zich nabij het oppervlak een zogenaamde dode laag vormt voor de NB. Voor het gedoteerde geval worden twee verschillende regimes voor ladingsoverdracht tussen het oppervlak en de bulk van de plak aangetoond. De ladingsoverdracht van oppervlak/centrum naar centrum/oppervlak hangt af van zowel het doteringsniveau als de gemiddelde relatieve lading geaccumuleerd in elke band.

 Om een niet-adiabatisch regime te beschouwen, voerden we een “real-time” studie uit van een één-dimensionaal systeem opgebouwd uit een uitgebreid Hubbard model onderhevig aan een elektrisch veld. We ontdekten verschillende niet-lineaire regimes voor een bereik van interactie parameters die toelaten metallische of isolerende (zowel ladings- als spindichtheidsgolf isolatoren) ringen te modelleren. Het metallische regime verschijnt op de faseovergang tussen de twee isolerende fasen en creëert de opportuniteit om zowel zwakke als sterk gecorreleerde metalen te beschrijven. We merken dat de fideliteits susceptibiliteit van de grondtoestand als functie van de magnetische flux door de ring een goede maat is voor de respons op korte tijdschaal. Zelfs compleet verschillend interagerende regimes gedragen zich gelijkaardig op korte tijdsschalen zolang de fideliteits susceptibiliteit van hun grondtoestand dezelfde is. Afhankelijk van de sterkte van het elektrisch veld vinden we verschillende types van respons: persistente stromen in het isolerende regime, dissipatief regime of gedempte Bloch-achtige oscillaties met variërende frequenties of zelfs onregelmatige oscillaties. Voorts beschouwen we ook de dimeerisatie van de ring en beschrijven we de respons van een gecorreleerde band isolator. In dit geval is de verdeling van de energie niveaus meer geclusterd en worden de Bloch-achtige oscillaties nog onregelmatiger.