Low dimensional effects in topological insulators

Resumen

Los aislantes topológicos (ATs) son una nueva fase cuántica de la materia que no puede ser descrita mediante un parámetro de orden de acuerdo con la clasificación tradicional de Ginzburg–Landau. Por el contrario, los ATs se pueden describir por un invariante topológico, y albergan estados de superficie topológicamente protegidos con propiedades electrónicas excepcionales, entre las que destaca el backscattering prohibido. Los ATs son una nueva generación de materiales con posibles aplicaciones en los campos de la electrónica de bajo consumo, la espintrónica o la computación topológica cuántica, y desde un punto de vista teórico plantean interesantes retos y nos proveen de un marco realista en el que se pueden manifestar partículas (fermiones de Majorana o monopolos magnéticos) y fases de la materia (espín–Hall cuántico, Hall cuántico anómalo o condensado de excitones topológico) exóticas. En esta tesis utilizamos cálculos de primeros principios y el modelo analítico BHZ para investigar efectos de baja dimensionalidad en ATs bi- y tridimensionales protegidos por simetría de inversión temporal. Estudiamos el orden topológico de los materiales Bi2Te3, Sb2Te3, Bi2Se3 y Sb2Se3 en volumen, en cuyas láminas delgadas aparecen estados de superficie topológicos. Predecimos y caracterizamos transiciones de fase topológicas debidas a deformaciones para los cuatro compuestos, y mostramos sus diagramas de fases correspondientes. Investigamos una intercara de Sb2Te3/Bi2Te3 e indicamos bajo qué condiciones puede albergar estados de intercara topológicos conmutables. Además, calculamos distintos tipos de defectos de apilamiento, de los que las fronteras de dominios gemelos (twin boundaries) entre capas quíntuples son las más favorables energéticamente. Mostramos cómo ciertas configuraciones de dichos defectos inducen un dopaje intrínseco en los conos de Dirac, e indicamos cómo ajustar el signo y magnitud de este dopaje a través de la descripción del proceso físico que lo origina. También estudiamos los efectos de impurezas magnéticas sustitucionales en Bi2Se3. Analizamos el orden magnético de impurezas de Cr y mostramos que éstas abren un gap en los estados de superficie de láminas delgadas de Bi2Se3, lo que permite que este sistema albergue la fase efecto Hall anómalo cuántico. Recubriendo Bi2Se3 con láminas de tamaño atómico de Cr se observa una doble transición de espín en las capas de Cr según se aumenta escalonadamente el grosor del recubrimiento de una a tres monocapas. El cambio de dirección en la imanación origina una doble transición de apertura del gap de los estados de superficie, que a su vez induce una doble transición en la textura de espín de skyrmión a merón. Por último describimos el modelo BHZ para ATs bidimensionales, incluyendo el efecto de un campo magnético perpendicular. Proponemos dos dispositivos que generan corrientes alternas de espín, uno que no requiere de campos magnéticos externos y otro para una fase de efecto Hall cuántico que puede ser fabricado con la tecnología actual. La viabilidad de este último se analiza en términos de diagramas de bandas realistas para pozos cuánticos de HgTe/CdTe e InAs/GaSb