Theoretical Study of Spin Dynamics in Two-Dimensional Quantum Materials

Resumen

El campo de la espintrónica tiene como objetivo utilizar el grado de libertad de espín para almacenar, transportar y manipular información en dispositivos electrónicos de próxima generación. En esta tesis, utilizo metodologías de transporte cuántico para simular la dinámica de espín en dispositivos hechos de materiales bidimensionales. La primera parte de la tesis se centra en el transporte de espín en grafeno, mientras que la segunda parte trata los efectos de interconversión de carga-espín y los fenómenos topológicos en los dicalcogenuros de metales de transición de baja simetría (TMDs). Se ha empleado el formalismo Landauer-Büttiker, tal como está implementado en el programa de código abierto Kwant, para simular diferentes tipos de dispositivos electrónicos, incluidas las válvulas de espín no locales. En grafeno, revelo que se debe tener en cuenta la geometría completa de las válvulas de espín no locales al analizar experimentos en el régimen de difusión cuando el transporte de espín es muy eficiente; de lo contrario, se podrían subestimar las longitudes de difusión de espín. Además, predigo el resultado experimental de una medición de precesión de espín de Hanle cuando la alta calidad del material hace alcanzar un régimen de transporte (cuasi)balístico, un régimen que no es capturado por la teoría de difusión de espín típica utilizada para interpretar experimentos. Para los TMDs, muestro que la baja simetría presente en algunas fases de esta clase de materiales afecta directamente su textura de espín, lo que a su vez afecta el transporte de espín y los procesos de interconversión de carga-espín como el efecto Hall de espín. La polarización de espín de los electrones en estos TMDs muestra una textura de espín persistente (en el espacio recíproco) fijada en una dirección a lo largo del plano yz y, como resultado, se observa una relajación de espín anisotrópica. El efecto Hall de espín presenta un componente poco convencional, con acumulación de giro generada en el plano del material, que junto con la polarización convencional fuera del plano, forma un efecto Hall de giro oblicuo o inclinado. Cerca de la región de la banda prohibida, la eficiencia de interconversión de carga-espín alcanza valores de hasta el 80% y, cuando el nivel de Fermi se coloca en la banda prohibida topológica, se predice un efecto Hall de espín cuántico inclinado. Los correspondientes estados de borde protegidos topológicamente son resistentes al desorden y llevan espines polarizados en la misma dirección que la textura de espín persistente que se encuentra en la parte inferior de las bandas de conducción. Los hallazgos presentados en esta tesis abren una nueva perspectiva para predecir y analizar el transporte de espín en dispositivos de grafeno de alta calidad y materiales bidimensionales topológicos de baja simetría.

Fecha de lectura	17 dic 2020
Idioma original	Inglés
Supervisor	Stephan Roche (Director/a), Aron Cummings (Director/a), Carles Navau Ros (Tutor/a) & Sergio Osvaldo Valenzuela (Director/a)