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Type: Dissertação
Title: Supercondutividade mediada por excitons e exciton-polaritons em heteroestruturas bidimensionais
Authors: Tavares, João Victor da Silva
Advisor: Chaves, Andrey
Keywords in Brazilian Portuguese : Supercondutividade;Sistemas de baixa dimensionalidade.;Exciton-polaritons;Teoria BCS;Heteroestruturas 2D
Keywords in English : superconductivity;Low dimensional systems;Exciton–polaritons;BCS theory;2D heterostructure
Issue Date: 2026
Citation: TAVARES, João Victor da Silva. Supercondutividade mediada por excitons e exciton-polaritons em heteroestruturas bidimensionais. 92f. Dissertação (Mestrado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.
Abstract in Brazilian Portuguese: Este trabalho tem por objetivo investigar a supercondutividade em heteroestruturas semicondutoras bidimensionais. Nesses sistemas, a excitação de elétrons no semicondutor, por campos elétricos ou fótons de cavidade, pode dar origem a quasi-partículas bosônicas conhecidas como excitons e exciton-polaritons. Estudamos a viabilidade destes como mediadores de supercondutividade em um gás de elétrons bidimensional. No contexto da teoria BCS, mostramos que a interação entre eles e elétrons de condução dão origem a uma interação efetiva atrativa entre os elétrons favorecendo a formação de pares de Cooper, de forma análoga ao mecanismo de interação efetiva mediada por fônons em metais. Na literatura, sistemas deste tipo são candidatos para se alcançar a supercondutividade em altas temperaturas em razão de sua baixa massa efetiva e forte interação. Iniciamos com uma breve introdução sobre a supercondutividade e a teoria BCS, onde o mecanismo alternativo de mediação por excitons é discutido. Seguimos com a descrição detalhada da heteroestrutura sob investigação. Um modelo teórico e hamiltoniano são propostos, e é mostrado que existe interação atrativa efetiva entre elétrons permitindo que haja supercondutividade. O modelo é aplicado tanto para excitons como para exciton-polaritons. Descrevemos dois algoritmos para calcular a temperatura crítica TC e o gap supercondutor ∆, assim, mostramos que existe uma relação direta entre o aumento de TC e a densidade de excitons/exciton-polaritons. O modelo também prevê uma diminuição na temperatura crítica quando se aumenta a densidade de elétrons Ne. Finalizamos com uma aplicação para uma heteroestrutura de van der Waals composta por dois dicalcogenetos de metais de transição e uma bicamada de grafeno (BLG) para hospedar o gás de elétrons. A heteroestrutura tem a configuração WSe2-hBN-MoSe2-hBN-BLG, que se justifica pelo fato de recentemente ter sido detectado experimentalmente excitons condensados em temperaturas da ordem de 100 K nesta combinação de materiais. Mostramos que para esse sistema é esperado uma temperatura crítica ≈101.2 K, que a coloca ao lado das de supercondutores de alta temperatura, como os Cupratos, por exemplo.
Abstract: This work aims to investigate superconductivity in two-dimensional semiconductor heterostructures. In these systems, electron excitation in the semiconductor, by electric fields or cavity photons, can give rise to bosonic quasiparticles known as excitons and exciton-polaritons. We study their feasibility as mediators of superconductivity in a two-dimensional electron gas. Within the context of BCS theory, we show that the interaction between them and conduction electrons gives rise to an effective attractive interaction between electrons favoring the formation of Cooper pairs, analogously to the phonon-mediated effective interaction mechanism in metals. In the literature, systems of this type are candidates for achieving high-temperature superconductivity due to their low effective mass and strong interaction. We begin with a brief introduction to superconductivity and BCS theory, where the alternative exciton-mediated mechanism is discussed. We proceed with a detailed description of the heterostructure under investigation. A theoretical model and a Hamiltonian are proposed, and it is shown that there exists an effective attractive interaction between electrons enabling superconductivity. The model is applied to both excitons and exciton-polaritons. We describe two algorithms to calculate the critical temperature TC and the superconducting gap ∆; thus, we show that there is a direct relationship between the increase in TC and the density of excitons/exciton-polaritons. The model also predicts a decrease in the critical temperature when the electron density Ne is increased. We conclude with an application to a van der Waals heterostructure composed of two transition metal dichalcogenides and a bilayer graphene (BLG) to host the electron gas. The heterostructure has the configuration WSe2-hBN-MoSe2-hBN-BLG, which is justified by the fact that condensed excitons have been recently experimentally detected at temperatures of the order of 100 K in this combination of materials. We show that for this system a critical temperature of ≈ 101.2 K is expected, placing it alongside high-temperature superconductors, such as Cuprates.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84568
Access Rights: Acesso Aberto
Appears in Collections:DFI - Dissertações defendidas na UFC

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