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Tipo: Tese
Título: Strained Lieb-Kagome lattices: evolution of the electronic spectrum and topological phase transitions
Autor(es): Lima, Wellisson Pires
Orientador: Pereira Júnior, João Milton
Coorientador: Costa, Diego Rabelo da
Palavras-chave em português: Transição de fase topológica;Rede de Lieb-Kagome;Tensão;Espectro eletrônico
Palavras-chave em inglês: Topological phase transition;Lieb-Kagome lattice;Strain;Electronic spectrum
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Data do documento: 2024
Citação: LIMA, W.P. Strained Lieb-Kagome lattices: evolution of the electronic spectrum and topological phase transitions. 2024. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: Investigamos sistematicamente os efeitos de deformações por cisalhamento simples e deformações uniaxiais, aplicadas ao longo de várias direções cristalográficas, bem como deformações biaxiais e cisalhamento puro, nos espectros eletrônicos das redes de Lieb e Kagome usando um modelo tight-binding. Este modelo emprega um Hamiltoniano geral que caracteriza ambos os tipos de rede através de um único parâmetro de controle, θ. Nossas descobertas indicam que tais deformações não abrem um gap de energia nos seus espectros eletrônicos, mas podem levar a (i) convergência dos cones de energia, (ii) anisotropia nos níveis de energia e (iii) deformação da banda plana. Consequentemente, o ponto de Dirac triplamente degenerado na rede de Lieb se transforma em dois pontos de Dirac duplamente degenerados. Nossa análise de cenários hipotéticos de deformação, nos quais os parâmetros de hopping são inalterados, mostra que efeitos como a deformação da banda plana e a divisão do ponto de Dirac triplamente degenerado resultam exclusivamente de mudanças nos parâmetros de hopping induzidas pela deformação. Adicionalmente, identificamos casos onde potenciais pseudovetoriais induzidos por deformação surgem nas redes de Lieb e Kagome. Além disso, ao considerar o acoplamento spin-órbita intrínseco, essas redes exibem comportamento de isolante topológico bidimensional com uma classificação topológica Z2. Nosso estudo abrangente revela que tais deformações podem induzir transições de fase topológicas ao alterar o ângulo estrutural da rede, a amplitude da deformação e a magnitude do acoplamento spin-órbita intrínseco. Essas transições são evidenciadas pela evolução da curvatura de Berry e mudanças no número de Chern quando o gap se fecha. Ao analisar cenários hipotéticos de deformação onde os parâmetros de hopping e acoplamento spin-órbita intrínseco permanecem intencionalmente inalterados, demonstramos que as transições de fase induzidas pela deformação originam-se de modificações simultâneas nos parâmetros de hopping e acoplamento spin-órbita intrínseco. Análises adicionais se estendem aos efeitos de tamanho finito nas propriedades topológicas dessas redes, avaliando o espectro de energia para nanofitas com bordas retas, barbadas e assimétricas. Os resultados confirmam transições de fase topológicas decorrentes da aplicação de deformações, sustentadas pela correspondência bulk-edge. Além disso, a evolução dos estados de borda sob deformação sugere a geração de correntes de spin opostas.
Abstract: We systematically investigate the effects of simple shear and uniaxial strains, applied along various crystallographic directions, as well as biaxial and pure shear strains, on the electronic spectra of Lieb and Kagome lattices using a tight-binding model. This model employs a general Hamiltonian that characterizes both lattice types through a single control parameter, θ. Our findings indicate that such deformations do not open an energy gap in their electronic spectra but can lead to (i) convergence of energy cones, (ii) anisotropy in energy levels, and (iii) deformation of the flat band. Consequently, the triply degenerate Dirac point in the Lieb lattice transforms into two doubly degenerate Dirac points. Our analysis of hypothetical strain scenarios, in which the hopping parameters are unchanged, shows that effects such as the flat band deformation and the splitting of the triply degenerate Dirac point result solely from strain-induced changes in hopping parameters. Additionally, we identify cases where non-zero strain-induced pseudovector potentials arise in Lieb and Kagome lattices. Moreover, when considering intrinsic spin-orbit coupling, these lattices exhibit twodimensional topological insulator behavior with a Z2 topological classification. Our comprehensive study reveals that such deformations can induce topological phase transitions by altering the structural lattice angle, strain amplitude, and the magnitude of the intrinsic spin-orbit coupling. These transitions are evidenced by the evolution of Berry curvature and shifts in the Chern number when the gap closes. By analyzing hypothetical strain scenarios where the hopping and intrinsic spin-orbit coupling parameters remain intentionally unchanged, we demonstrate that the strain-induced phase transitions stem from simultaneous modifications in the hopping and intrinsic spin-orbit coupling parameters. Further analysis extends to finite-size effects on the topological properties of these lattices, evaluating the energy spectrum for nanoribbons with straight, bearded, and asymmetric edges. The results confirm straindriven topological phase transitions, supported by the bulk-edge correspondence. Additionally, the evolution of edge states under strain suggests the generation of opposite spin currents.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/77461
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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