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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/60342| Type: | Tese |
| Title: | Plasmons and electronic transport in two-dimensional materials |
| Authors: | Lavor, Ícaro Rodrigues |
| Advisor: | Chaves, Andrey |
| Co-advisor: | Peeters, Francois Maria Leopold Costa, Diego Rabelo da Duppen, Ben Van |
| Keywords: | Física da matéria condensada;Grafeno;Zitterbewegung;Exciton de moiré;Dirac plasmons |
| Issue Date: | 2021 |
| Citation: | Lavor, I. R. Plasmons and electronic transport in two-dimensional materials. 2021. Tese (Doutorado em Física) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2021. |
| Abstract in Brazilian Portuguese: | Esta tese apresenta, em sua primeira parte, uma investigação sobre zitterbewegung (ZBW), um movimento trêmulo de pacotes de onda eletrônicos, em multicamadas de grafeno, bem como o ZBW de excitons de moiré em heterostruturas formadas por uma bicamada de MoS2/WSe2 rotacionada. Nas últimas décadas, a dinâmica dos pacotes de ondas tem sido objeto de muitos estudos teóricos e experimentais em vários tipos de sistemas, tais como: semicondutores, supercondutores, sólidos cristalinos e átomos frios. Assim, com a descoberta do grafeno e dos excitons de moiré em hetero-bicamadas, agora surgem dois novos sistemas para a comunidade científica investigar a evolução temporal dos pacotes de ondas e possivelmente observar o fenômeno zitterbewegung. Esse movimento trêmulo foi teoricamente previsto pela primeira vez por Schrödinger para pacotes de ondas que descrevem partículas que obedecem à equação de Dirac. Este é exatamente o caso dos elétrons de baixa energia no grafeno, bem como dos excitons de moiré em MoS2/WSe2$ rotacionados sob um campo eletromagnético externo aplicado. No caso do ZBW em multicamadas de grafeno, foi desenvolvido um estudo analítico e computacional, através do método da função de Green e da técnica do split-operator, respectivamente. Neste sistema, verificou-se que os pacotes de ondas dependem não apenas da largura do pacote de ondas inicial e da polarização inicial do pseudopin, mas também do número de camadas. Além disso, os métodos analíticos e numéricos propostos aqui permitem investigar a dinâmica de pacotes de ondas em sistemas de grafeno com um número arbitrário de camadas e com potenciais arbitrários. Para o exciton de moiré, é mostrado que, analogamente a outras partículas de Dirac, este sistema também exibe ZBW quando está sob um campo elétrico externo aplicado perpendicularmente. Neste caso, o ZBW apresenta longas escalas de tempo compatíveis com as técnicas experimentais atuais para dinâmica de excitons. Isso promove o estudo da dinâmica de excitons de moiré em heteroestruturas de van der Waals como uma plataforma de estado sólido vantajosa para sondar ZBW, amplamente ajustável por tensão eletrostática e ângulo de rotação entre camadas. Na segunda parte desta tese, um estudo sobre plasmons em grafeno, combinado em heteroestruturas de van der Waals, é tratado através da teoria da resposta linear, dentro da aproximação de fase aleatória (do inglês random phase approximation ou simplesmente RPA), com suporte da heteroestrutura eletrostática quântica (do inglês quantum electrostatic heterostructure (QEH)), um método computacional baseado em teoria do funcional da densidade (do inglês, density functional theory, DFT). Uma vez que os plasmons de Dirac no grafeno são muito sensíveis às propriedades dielétricas do ambiente, é possível explorar tal propriedade para sondar a estrutura e composição das heteroestruturas de van der Waals colocadas embaixo de uma única camada de grafeno. Desta forma, pode-se diferenciar, utilizando os plasmons no grafeno, a diferença entre números de camadas, isto é, é possível identificar se uma estrutura possui uma ou duas camadas, por exemplo, quando essa é composta apenas por um único material, bem como diferenciar entre diferentes dicalcogenetos de metais de transição para heteroestruturas que apresentam mais do que 2 camadas (heterostruturas formadas por mais de um material). Como consequência do estudo inicial em plasmons, a hibridização de plasmons de Dirac em grafeno com fônons de dicalcogenetos de metais de transição também é estudado, quando estes são combinados nas chamadas heteroestruturas de van der Waals. Verificou-se que é possível alcançar regimes de acoplamento fortes e ultra-fortes, ajustando a energia de Fermi do grafeno e alterando o número da camada dicalcogenetos de metais de transição. |
| Abstract: | This thesis presents, in its first part, an investigation on the trembling motion of wave packets known as zitterbewegung (ZBW), in multilayer graphene, as well as in moiré excitons in twisted MoS2/WSe2 hetero-bilayers. In the last few decades, the dynamics of wave packets has been subject of many theoretical and experimental studies in various types of systems such as semiconductors, superconductors, crystalline solids and cold atoms. The discovery of graphene and moiré excitons in twisted hetero-bilayers, brought two new platforms for the investigation on time evolution of wave packets and possible observation of ZBW. This trembling motion was first theoretically predicted by Schrödinger for wave packets describing particles that obey the Dirac equation. This is exactly the case of low energy electrons in graphene, as well as of moiré exciton in twisted MoS2/WSe2 under an external applied electromagnetic field.ZBW in multilayer graphene was studied both analytically and computationally, respectively, through the Green’s function and split-operator methods. In this system, it is found that ZBW depends not only on the wave packet width and initial pseudospin polarization, but also on the number of layers. Furthermore, the analytical and numerical methods proposed here allow to investigate wave packet dynamics in graphene systems with an arbitrary number of layers and arbitrary potential landscapes. For moiré excitons in twisted MoS2/WSe2 hetero-bilayers, it is shown that, analogously to other Dirac-like particles, this system also exhibits ZBW when under a perpendicular applied field. In this case, the ZBW presents long timescales that are compatible with current experimental techniques for exciton dynamics. This promotes the study of the dynamics of moiré excitons in van der Waals heterostructures as an advantageous solid-state platform to probe zitterbewegung, broadly tunable by gating and inter-layer twist angle. In the second part of this thesis, a study into graphene plasmonic in van der Waals heterostructure (vdWhs) are treated in a linear response framework within the Random Phase Approximation and with support of the quantum electrostatic heterostructure (QEH), a DFT-based method. Since Dirac plasmons in graphene are very sensitive to the dielectric properties of the environment, it is possible to explore this property to probe the structure and composition of van der Waals heterostructures (vdWh) placed underneath a single graphene layer. In this way, one can achieve a layer sensitivity of a single layer and differentiate between different TMDs for heterostructures thicker than 2 layers. As a consequence of this, study, the hybridization of Dirac plasmons in graphene with phonons of transition metal dichalcogenides (TMDs), when the materials are combined in so-called van der Waals heterostructures (vdWh) forming surface plasmon-phonon polaritons (SPPPs) are also investigated. It was found that it is possible to realize both strong and ultrastrong coupling regimes by tuning graphene's Fermi energy and changing TMD layer number. |
| URI: | http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/60342 |
| Appears in Collections: | DFI - Teses defendidas na UFC |
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