Theoretical Study of Spin Dynamics in Two-Dimensional Quantum Materials

Resum

El camp de l’espintrònica té l’objectiu d’utilitzar el grau de llibertat d’espín de l’electró per emmagatzemar, transportar i manipular informació en dispositius electrònics de nova generació. En aquesta tesi, faig servir metodologies de transport quàntic per simular dinàmiques d’espín en dispositius fets amb materials bidimensionals. La primera part de la tesi se centra en el transport d’espín en grafè, mentre que la segona part tracta els efectes d’interconversió de càrrega-espín i fenòmens topològics en dicalcògens de metalls de transició de baixa simetria (TMDs). El formalisme de Landauer-Büttiker s’ha emprat, tal com està implementat en el programa de codi obert Kwant, per simular diferents tipus de dispositius electrònics, incloent les vàlvules d’espín no locals. En el grafè, revelo que s’hauria de tenir en compte la geometria completa de les vàlvules d’espín no locals a l’hora d’analitzar experiments en règim difusiu quan el transport d’espín és molt eficient; en cas contrari, es podrien subestimar les longituds de difusió d’espín. A més, predic el resultat experimental d’una mesura de precessió d’espín de Hanle quan la qualitat del material condueix el sistema cap a un règim de transport (quasi)balístic, un règim que la teoria típica de la difusió d’espins que s’utilitza per interpretar els experiments no cobreix. Per als TMDs, mostro que la baixa simetria present en algunes fases d’aquesta classe de materials afecta directament la seva textura d’espín, que al seu torn afecta el transport d’espín, així com els processos d’interconversió de càrrega-espín com l’efecte Hall d’espín. La polarització d’espín dels electrons en aquests TMDs mostra una textura d’espín persistent (en l’espai recíproc) fixada en una direcció al llarg del pla yz i, com a resultat, s’observa una relaxació d’espín anisotròpica. L’efecte Hall d’espín presenta un component no convencional, amb una acumulació d’espín generada dins del pla del material, que juntament amb la polarització convencional fora del pla, forma un efecte Hall d’espín oblic o inclinat. A prop de la regió de la banda prohibdia, l’eficiència d’interconversió de càrrega-espín arriba a valors de fins al 80% i, quan el nivell de Fermi es col·loca dins de la banda prohibida topològica, es prediu un efecte Hall d’espín quàntic oblic. Els corresponents estats de vora topològicament protegits són robustos envers desordre i porten espins polaritzats en la mateixa direcció que els de la part de baixa energia de la banda de conducció, que tenen la textura persistent d’espín. Els resultats presentats en aquesta tesi obren una nova perspectiva per predir i examinar el transport d’espín en dispositius de grafè d’alta qualitat i materials bidimensionals topològics de baixa simetria.

Data del Ajut	17 de des. 2020
Idioma original	Anglès
Supervisor	Stephan Roche (Director/a), Aron Cummings (Director/a), Carles Navau Ros (Tutor/a) & Sergio Osvaldo Valenzuela (Director/a)