Termoelectricidad cuántica y fenómenos de transporte en nanoestructuras topológicas
2021
| Tesista | Daniel GRESTA Licenciado en Ciencias Físicas (UBA) Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física, Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directora | Dra Liliana ARRACHEA. UNSAM, CONICET - Argentina |
| Codirectora | Dra Alejandra TONINA. INTI, UNSAM,CONICET - Argentina |
| Lugar de realización | ICAS-ECyT, ICIFI UNSAM/CONICET - Argentina |
| Fecha Defensa | 03/09/2021 |
| Jurado | Dr Leandro Tosi. CONICET, CNEA - Argentina |
| Código | ITS/TD-152/2021 |
Resumen
En las últimas décadas, el estudio de materiales topológicos se volvió uno de los temas más
relevantes en física de materia condensada. Los sistemas son clasificados de acuerdo a un
invariante topológico además de las simetrías que poseen y sus propiedades permanecen
robustas ante perturbaciones o desorden. Entender tales estados topológicos puede llevar
a un próspero camino para una nueva generación de materiales con aplicaciones que abarcan
desde metrología cuántica a computación cuántica e inteligencia artificial. Esta tesis doctoral
presenta un estudio de los fenómenos térmicos y termoeléctricos que se desarrollan en tres
nanoestructuras topológicas.
El primer dispositivo en consideración es una estructura Corbino en el régimen de Hall
cuántico. Presentamos un análisis teórico junto con mediciones experimentales. La medición
del termovoltaje es cualitativa y cuantitativamente modelada sobre la base de mediciones
independientes de la conductividad eléctrica, indicando que los mecanismos de transporte se
originan predominantemente en la difusión electrónica. Implementamos una descripción de los coeficientes
de Onsager basado en una únic afunción de transmisión, de la cual ambos, termovoltaje y
conductividad eléctrica, pueden ser predichos con un solo parámetro de ajuste. Aún más, pudimos
predecir grandes valores de la figura de mérito para la eficiencia como una máquina térmica o
de enfriado en los niveles de Landau parcialmente llenos.
En e lsegundo dispositivo en consideración, se estudiaron las propiedades termoeléctricas de
los pares de Kramers helicoidales en el estado de borde de un aislante topológico en el régimen
de spin Hall cuántico. Los estados de borde se encuentran acoplados a un nanomagneto con un
componente de la magnetización perpendicular a la dirección de la interacción spin-órbita del
material. Mostramos que la función de transmisión de este dispositivo tiene las propiedades
deseadas para alcanzar la óptima performance en el régimen cuántico coherente. Para un solo
dominio, la potencia generada es casi la máxima alcanzable. Si un segundo dominio se agrega con
diferente orientación, la función de transmisión tiene una resonancia. Su origen se debe a que
el sistema pasa a una nueva fase topológica albergando un solitón de Jackiw-Rebbi. Proveemos
también estimaciones para la fabricación de este dispositivo con un pozo cuántico topológico en
HgTe.
Finalmente, estudiamos el transporte térmico cuando se le agregan contactos superconductores
al sistema anterior. Mostramos que la conductancia térmica es muy sensible a la presencia
de una resonancia de Jackiw-Rebbi, a diferencia de la corriente Josephson o el espectro de
Andreev. Se presenta un detallado análisis de estas propiedades en el caso de uno y dos dominios
magnéticos. Las configuraciones que alberguen un solitón magnético conllevan a un
comportamiento peculiar en la conductancia térmica relativa al cuanto térmico, caracterizada
por un valor negativo en la pendiente como función de la temperatura, justo por encima de la
temperatura crítica del superconductor
Complete Title
Abstract
In the last decades, the study of topological materials became one of the most relevant topics
of condensed matter physics. Systems are classified according to a topological invariant in
addition to the symmetries and their properties remain robust under perturbation or disorder.
Understanding such topological states of matter may lead to an affluent path for a new generation
of quantum devices,with applications ranging from quantum metrology to quantum computation
and AI.This doctoral thesis presents a study of thermal and thermoelectrical phenomena that
develops in three topological nanoestructures.
The first device under consideration is a Corbino structure in the quantum Hall regime. We
present a theoretical analysis together with experimental measurements. The measured thermo-
electric voltaje is qualitatively and quantitatively modeled on the basis of the data recorded from
independent measurements of the conductivity. This is consistent with a transport mechanism
dominated by electron diffusion. We implement a description of the Onsager coefficients based on
a single transmission function, from which both thermovoltage and conductivity can be predicted
with a single fitting parameter. Furthermore, we predict a large figure of merit for the efficiency
of the thermoelectric performance for the partially filled Landau levels and high magnetic fields.
Secondly, we study the thermoelectric properties of a Kramers’ pair of helical edge states
of a topological insulator in the quantum spin Hall regime. The edge states are coupled to a
nanomagnet with a component of the magnetization perpendicular to the direction of the spin-orbit
coupling interaction of the host. We show that the transmission function of this device has
the desired qualities for optimal thermoelectric performance in the quantum coherent regime.
For a single magnetic domain, there is a power generation close to the optimal bound. When a
second magnet with different orientation is added, the transmission function has a resonance.
Its origin is due to the system transitions to a topological phase hosting a Jackiw-Rebbi soliton.
We provide estimates for the fabrication of this device with HgTe quantum-well topological insulator.
Finally, we study the thermal transport when two superconducting leads are added to the
previous device. We show that the thermal conductance turns out to be very sensitive to the
presence of Jackiw-Rebbi resonance, unlike the Josephson current or the Andreev spectrum.
A detailed analysis of these properties in the case of a single and two magnetic domains is
presented. Configurations hosting solitonic magnetic modes lead to apeculiar behavior of the
thermal conductance relative to the thermal quantum, characterized by a negative slope as a
function of the temperature, just above the superconducting critical temperature.
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