Ab initio investigation of superconducting and topological phases in transition metal dichalcogenides

Autor: Pedro Pires Ferreira
Přispěvatelé: Luiz Tadeu Fernandes Eleno, Marcelo Marques, Cristina Bormio Nunes, Helena Maria Petrilli
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2020
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP
Universidade de São Paulo (USP)
instacron:USP
Popis: A corrida para aprimorar e descobrir novos materiais supercondutores e topológicos -- seja para mapear o campo magnético gerado pela atividade cerebral ou dar início à era da computação quântica, em aplicações de ponta -- tem sido um dos maiores desafios científicos da nossa década. Sob esse cenário, a presente dissertação tem como objetivo investigar a estrutura eletrônica e as propriedades topológicas de dicalcogenetos de metais de transição de protótipo CdI2 utilizando cálculos de primeiros princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Nossos cálculos revelam que o NiTe2 é um semimetal de Dirac do tipo-II, abrigando excitações eletrônicas sem massa com quebra da invariância de Lorentz, assim, altamente dependentes da direção dentro da zona de Brillouin. A topologia não-trivial desse sistema pode ser atribuída à dispersão dos orbitais p dos átomos de telúrio sob os efeitos da interação spin-órbita e do campo cristalino trigonal. Demonstramos, ainda, que as quasipartículas pseudo relativísticas, emergentes do sistema, podem ser controladas, com precisão, através de pequenas deformações em sua estrutura e da dopagem de metais alcalinos, abrindo caminho para novas fenomenologias, transições do estado quântico (como fases semimetálicas híbridas do tipo-I e tipo-II e transições de Lifshitz), e dispositivos eletrônicos baseados no grau de liberdade de spin. O ZrTe2, de mesmo protótipo, também revela uma fase semimetálica topológica derivada do cruzamento entre bandas com diferentes representações irredutíveis e a formação de um gap não-trivial -- este último conduzido por um mecanismo de inversão de paridades induzido pela quebra de degenerescência dos estados eletrônicos sob a ação do acoplamento spin-órbita. A dispersão eletrônica, concentração e localização dos hole-pockets e electron-pockets nos pontos de alta simetria da primeira zona de Brillouin do ZrTe2 suportam uma competição entre fases CDW (por meio de uma condensação excitônica) e supercondutora na superfície de Fermi. Adicionalmente, nossos cálculos indicam que intercalação de metais de transição entre as camadas de Te alteram significativamente a estrutura eletrônica e a hibridização dos estados de baixa energia, manipulando, assim, os diferentes estados eletrônicos emergentes do sistema ZrTe2. The race to improve and discover new superconducting and topological materials -- either to map the magnetic field generated by brain activity or to start the era of quantum computing, in cutting edge applications -- has been one of the greatest scientific challenges of our decade. Within this scenario, the present dissertation aims to investigate the electronic-structure and topological properties of CdI2-prototype transition metal dichalcogenides using first-principle calculations based on the Density Functional Theory (DFT). Our calculations reveal that NiTe2 is a type-II Dirac semimetal, harboring massless electronic excitations with breaking Lorentz\'s invariance, thus, highly direction-dependent within the Brillouin zone. The non-trivial band topology of this system can be attributed to the dispersion of the p orbitals of tellurium atoms under the effects of spin-orbital interaction and the trigonal crystalline field. We have also demonstrated that the pseudo-relativistic quasiparticles, emerging from the system, can be precisely controlled through small strain states applied at the structure and the doping of alkali metals, bridging the way for novel phenomenologies, quantum state transitions (such as hybrid type-I and type-II semimetallic phases and Lifshitz transitions), and electronic devices based on the spin degree of freedom. ZrTe2, of the same prototype, also reveals a topological semimetallic phase derived from the crossings between bands with distinct irreducible representations and the formation of a non-trivial gap -- the latter, driven by an parity inversion mechanism induced by breaking the degeneracy of electronic states under the action of spin-orbital coupling. The electronic dispersion, carrier density and energy location of the hole-pockets and electron-pockets at high symmetry points in the first Brillouin zone of ZrTe2 support a competition between CDW (driven by an excitonic condensation) and superconducting phases on the Fermi surface. In addition, our calculations indicate that intercalation of transition metals species between the Te layers significantly changes the electronic-structure and the hybridization of the low-energy states, thus manipulating the different electronic-states emerging from the ZrTe2 system.
Databáze: OpenAIRE
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