Hiệu ứng liên kết spinquỹ đạo và từ trường trong mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳng

Hiệu ứng liên kết spinquỹ đạo và từ trường trong mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳngHiệu ứng liên kết spinquỹ đạo và từ trường trong mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳngHiệu ứng liên kết spinquỹ đạo và từ trường trong mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳngHiệu ứng liên kết spinquỹ đạo và từ trường trong mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳngHiệu ứng liên kết spinquỹ đạo và từ trường trong mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳng

1

Lời cam đoan

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các kết quả trình bày trong luận văn là chính xác, trung thực và chưa được ai công bố trong bất kì công trình nào khác./

Học viên

2

Lời cảm ơn

Lời đầu tiên tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo người hướng dẫn trực tiếp tôi trong quá trình thực hiện luận văn: PGS.TS Trần Minh Tiến Từ khi bắt đầu học cao học thầy đã chỉ dạy, hướng dẫn cũng như giúp đỡ tôi trong học tập và nghiên cứu khoa học Với sự giúp đỡ của thầy tôi đã tiến bộ hơn trong rất nhiều mặt

Tôi xin được cảm ơn đến các thầy đã giảng dạy tôi trong những năm cao học Các thầy đã dạy cho tôi những kiến thức cơ sở, làm nền tảng cho tôi

có thể học tập cũng như nghiên cứu khoa học Ngoài ra tôi cũng xin cảm ơn đến cơ sở đã đào tạo tôi là Học Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho tôi có một môi trường thuận lợi để học tập

Tôi xin được cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi

có thể học tập đến ngày hôm nay Gia đình không những giúp đỡ tôi về mặt vật chất mà luôn quan tâm động viên tôi trong cuộc sống và học tập Tôi cũng xin cám ơn đến bạn bè đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian học cao học

3

MỤC LỤC

Mở đầu

Chương 1 Chất điện môi tôpô

1.1 Khái niệm tôpô trong toán học

1.2 Chất điện môi tôpô

Chương 2: Mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳng

2.1 Cấu trúc vùng năng lượng trong mô hình tổng quát

2.2 Mạng tinh thể Lieb

2.3 Mô hinh liên kết chặt trong mạng tinh thể Lieb

2.4 Liên kết spin-quỹ đạo trong mạng tinh thể Lieb

2.5 Điều biến mạng trong mạng tinh thể Lieb

Chương 3: Cấu trúc vùng năng lượng cho dải băng nano trong mạng tinh thể Lieb

3.1 Lí thuyết cấu trúc vùng năng lượng cho dải băng nano trong mạng tinh

thể Lieb

3.2 Cấu trúc vùng năng lượng cho dải băng nano với hai biên thẳng

3.3 Cấu trúc vùng năng lượng cho dải băng nano với một biên thẳng và một biên răng cưa

3.4 Cấu trúc vùng năng lượng cho dải băng nano với hai biên răng cưa

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

4

MỞ ĐẦU

Ảnh hưởng lẫn nhau giữa liên kết spin-quỹ đạo và điều biến mạng tinh thể trên mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳng đã thu hút được nhiều nghiên cứu gần đây [1]

Trong các hệ có cấu trúc vùng năng lượng phẳng các electron phi tán sắc tạo ra một tính chất đặc biệt mà bất kỳ tương tác electron nào giữa chúng cũng trở nên vượt trội so với động năng Kết quả dẫn đến nhiều hiện tượng hấp dẫn về tương quan điện tử [2-11] Ví dụ nổi bật là hiệu ứng Hall lượng tử phân số, trong đó sự tương tác giữa tính phẳng của các mức năng lượng Landau và tương tác Coulomb đóng vai trò chính yếu [4-7] Các ví dụ khác là hiệu ứng Kondo phân tử đặc biệt do sự có mặt của vùng năng lượng phẳng [9-11] Liên kết spin-quỹ đạo là một hiệu ứng tương đối tính của electron dưới tác động tương tác Coulomb của các ion [2,13] Đó là tương tác một hạt so với tương tác Coulomb hai hạt giữa các điện tử Liên kết spin-quỹ đạo thường tạo ra một khe năng lượng trong phổ một hạt và có thể tạo ra trạng thái điện môi tôpô [1] Trong các mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng lượng phẳng, chẳng hạn như mạng tinh thể Lieb, liên kết spin-quỹ đạo cũng có thể tạo ra trạng thái điện môi tôpô [1] Mặt khác, một sự điều biến của electron chuyển động trong mạng tinh thể Lieb cũng có thể dẫn đến một khe năng lượng trong phổ một hạt [14] Tuy nhiên, ngược lại với liên kết spin-quỹ đạo, trạng thái điện môi gây ra do điều biến mạng là không có tính chất tôpô [1] Do vậy khi

có cả liên kết spin-quỹ đạo và điều biến mạng chúng có thể ảnh hưởng và cạnh tranh lẫn nhau Và kết quả là trạng thái điện môi có thể thay đổi từ trạng thái tôpô sang trạng thái không tôpô

Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa liên kết spin-quỹ đạo và điều biến mạng trong mạng tinh thể Lieb Điều biến

5

mạng được thể hiện qua các bước nhảy nút so le [14] Tính chất tôpô của trạng thái cơ bản có thể được xác định bằng các phương pháp khác nhau Một cách là trực tiếp tính toán số Chern [15-17] Cách khác là sử dụng các chỉ số

về các mode biên hay trạng thái biên [18] Tính chất tôpô của điện môi có thể dựa trên sự tương ứng khối-biên [18] Nếu trên giao diện giữa hai chất điện môi, các bất biến tôpô thay đổi thì trạng thái dẫn không khe (gapless) tồn tại ở giao diện [18] Các mode biên như vậy có liên quan sâu sắc đến tính chất tôpô của khối Số lượng các mode biên tương ứng với bất biến tôpô trong khối Trong luận văn này, chúng tôi xác định tính chất tôpô của các trạng thái điện môi thông qua số lượng các mode biên Số lượng các mode biên có thể xác định bằng số lần các mode biên cắt mức năng lượng Fermi, bởi vì khi các mode biên cắt các mức năng lượng Fermi nó thể hiện ở lân cận điểm cắt có mode kích thích không khe và điều này dẫn đến khả năng dẫn ở biên, trong khi trong khối vẫn là điện môi Đó chính là đặc tính cơ bản của chất điên môi tôpô Các mode biên có thể thu được thông qua việc nghiên cứu cấu trúc vùng năng lượng của dải băng nano có biên mở [19]

Mục đích nghiên cứu của luân văn là thiết lập hiệu ứng ảnh hưởng qua lại liên kết spin-quỹ đạo và điều biến mạng trong mạng tinh thể Lieb thông qua các mode biên Cấu trúc của luận văn này bao gồm ba chương

Chương 1: Chúng tôi trình bày sơ lược về khái niệm tôpô trong toán học và

chất điện môi tôpô trong vật lí

Chương 2: Chúng tôi trình bày lí thuyết mạng tinh thể có cấu trúc vùng năng

lượng phẳng, từ mô hình tổng quát đi tới mô hình liên kết chặt trong mạng tinh thể Lieb, liên kết spin-quỹ đạo và điều biến mạng

Chương 3: Chúng tôi trình bày kết quả cấu trúc vùng năng lượng mạng tinh

thể Lieb có dạng dải băng nano

6

Kết quả chính của luân văn này đã được báo cáo tại Hội nghị Vật lí lí thuyết toàn quốc lần thứ 43 tại Quy Nhơn năm 2018, và đã được chấp nhận đăng trên tạp chí Journa of Physics: Conference Series Trong luận văn này chúng tôi sử dụng hệ đơn vị tự nhiên với  c k B  1

7

CHƯƠNG 1 CHẤT ĐIỆN MÔI TÔPÔ

1.1 KHÁI NIỆM TÔPÔ TRONG TOÁN HỌC

Tôpô hay tôpô học là một lĩnh vực nghiên cứu toán học liên quan đến tính chất hình học của các vật thể ở dạng tổng thể toàn cục Tính chất tôpô của các vật thể là các đặc tính được bảo toàn qua sự biến dạng, sự xoắn và sự kéo dãn Các đặc tính đó gọi là các bất biến tôpô Ví dụ đơn giản là cái vòng xuyến và một cái ca có quai Cả hai đều có thể biến đổi liên tục qua lại với nhau, do vậy chúng có cùng tính chất tôpô Về mặt tôpô chúng có đúng một lỗ hổng

Hình 1.1: Một cái ca có quai trở thành vòng xuyến qua sự biến dạng hình học bảo toàn bất biến tôpô Cả cái ca và vòng xuyến đều có những tính chất tôpô hoàn toàn giống

nhau [20]

Như vậy, có thể nói một cách nôm na rằng tôpô là một ngành nghiên cứu về đặc tính của các cấu trúc hình học có tính siêu co dãn, siêu biến dạng nhưng lại không thể bị cắt rời thành nhiều mảnh, không thể bị đâm thủng hay bị dán dính vào nhau

8

Đối với các bề mặt hình học, có thể phân loại tôpô dựa trên định lý Gauss-Bonnet Định lý này nói rằng mỗi bề mặt hình học có một bất biến tôpô thể hiện qua đặc trưng Euler

𝜒 = 12𝜋∫ 𝐾𝑑𝐴𝑠

trong đó: K là độ cong Gauss và tích phân lấy theo một bề mặt kín của

một mặt liên quan tới tính chất bất biến Tích phân của độ cong ở trên chỉ phụ thuộc vào tính chất toàn cục của bề mặt (tôpô) Nó bất biến khi

bề mặt biến dạng liên tục Ví dụ đối với mặt xuyến 𝜒 = 0, mặt cầu 𝜒 =

2 [21]

1.2 CHẤT ĐIỆN MÔI TÔPÔ

Trong vật lý các chất cô đặc việc mô tả đặc điểm các pha của vật

chất đang rất được quan tâm Đại đa số các pha, ví dụ như sắt từ, có thể được mô tả theo nguyên lý đối xứng mà trong đó có vỡ đối xứng tự phát Khái niệm tôpô trong vật lý đầu tiên được đưa ra để miêu tả hiệu ứng Hall lượng tử Hiệu ứng Hall lượng tử là hiệu ứng Hall mà độ dẫn Hall có tính chất lượng tử Nó bằng số nguyên lần (hay số phân số lần) đại lượng 2

từ trường

Hiệu ứng Hall lượng tử chỉ xuất hiện khi có từ trường ngoài Tiếp

9

theo hiệu ứng Hall lượng tử người ta đã tìm thấy những trật tự tôpô mới thông qua việc tìm ra chất điện môi tôpô Chất điện môi tôpô giống như các chất điện môi thông thường, nó có khe năng lượng tách cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu thành hai vùng, vùng hóa trị và vùng dẫn Tuy nhiên, phần bề mặt (hoặc cạnh biên trong không gian hai chiều) của chất điện môi tôpô có trạng thái dẫn không có khe năng lượng Hiệu ứng Hall lượng tử cho thấy trạng thái biên có tính chất dẫn, và có kích thích không khe (gapless) Giống như trạng thái Hall lượng tử, trong trường hợp hai chiều chất điện môi tôpô ứng với mỗi cạnh biên có một trạng thái cạnh biên duy nhất Đó là nguyên lý tương ứng khối –cạnh biên Nguyên lý này cho rằng tính chất tôpô trong khối luôn tương ứng với số trạng thái biên hay bề mặt Do vậy nhiều khi thay vì đi tính bất biến tôpô của chất điện môi, người ta quan sát số trạng thái biên và từ đó xác định chất điện môi

có tính chất tôpô hay không

Năm 2006, Bernevig, Hughes và Zhang [18] đề xuất tồn tại trạng thái Hall spin lượng tử, tên gọi lúc bấy giờ cho trạng thái điện môi tôpô hai chiều, trong giếng lượng tử HgTe/CdTe, mà ngay sau đó thực nghiệm đã xác định tính đúng đắn của đề xuất này [18] Giếng lượng tử HgTe/CdTe là chất điện môi tôpô hai chiều đầu tiên có tính chất đối xứng nghịch đảo thời gian, khác với

hệ Hall lượng tử, khi từ trường ngoài phá vỡ đối xứng nghịch đảo thời gian Trong giếng lượng tử HgTe/CdTe tương tác spin - quỹ đạo đóng vai trò quyết định tạo ra độ dẫn Hall lượng tử nguyên, không cần đến từ trường ngoài Chính vì vậy mà ban đầu tính chất này được gọi là hiệu ứng Hall spin lượng

tử, để phân biệt với hiệu ứng Hall lượng tử thông thường, khi điện tích trong

từ trường đóng vai trò quyết định Song song với khám phá trạng thái điện môi tôpô trong giếng lượng tử HgTe/CdTe, các nhóm nghiên cứu khác cũng

đề xuất lý thuyết về chất điện môi Hall spin, một tên gọi khác cho chất điện

10

môi tôpô, có đối xứng nghịch đảo thời gian và liên kết spin - quỹ đạo [18], [20,21] Từ đó hình thành lý thuyết vùng năng lượng cho chất điện môi tôpô hay chất điện môi tôpô Z2 Xuất phát điểm của lý thuyết này là tính chất đối xứng nghịch đảo thời gian và liên kết spin - quỹ đạo Định lý Kramer khẳng định rằng tất cả các trạng thái riêng của hệ có Hamiltonian bất biến đối với đối xứng nghịch đảo thời gian đều suy biến bậc 2 Khi không có liên kết spin

- quỹ đạo, suy biến bậc 2 theo định lý Kramer đơn giản chỉ là suy biến theo spin lên và spin xuống Nhưng khi có liên kết spin - quỹ đạo suy biến bậc hai này dẫn tới một hệ quả thú vị Do Hamiltionian bất biến theo nghịch đảo thời gian nên các trạng thái có động lượng k m  k m G, trong đó G là vector

mạng đảo, sẽ suy biến bậc 2 Các trạng thái có động lượng khác không còn suy biến bậc 2 do tương tác spin - quỹ đạo tách chúng ra Có thể nhận thấy k m

nằm trên biên của vùng Brillouin thứ nhất, và thường là các điểm có tính chất đối xứng cao của mạng tinh thể Trên hình 1.2, hình bên tay trái, các trạng thái liên kết nối với nhau bằng các đường đi qua mức Fermi số chẵn lần Trong trường hợp này, các trạng thái biên có thể loại đi khỏi các trạng thái liên kết ra khỏi khe năng lượng Và do vậy các trạng thái điện môi ở biên vẫn mang tính điện môi Ngược lại, ở hình bên phải của hình 1.2 khi các đường liên kết các trạng thái biên đi qua mức năng lượng Fermi số lẻ lần, các trạng thái biên không làm sao có thể loại bỏ được Do vậy trạng thái biên mang tính dẫn, mặc dù trạng thái trong khối vẫn là điện môi Đây chính là trường hợp của chất điện môi tôpô Vậy theo lý thuyết vùng năng lượng này, một chất điện môi tôpô có tính chất tôpô hay không phụ thuộc vào số lần các trạng thái biên có mức năng lượng cắt mức Fermi là chẵn hay lẻ, nên có thể ánh xạ nó vào nhóm Z2 Do vậy chất điện môi tôpô theo lý thuyết vùng năng lượng như trên còn được gọi là chất điện môi tôpô Z2 Kane và các cộng sự đã xây dựng một chỉ số theo nhóm Z2 để xác định một chất điện môi có phải là chất điện

11

môi tôpô hay không [18] Chỉ số đó chính là bất biến tôpô Khi chỉ số đó bằng

0, chất điện môi là chất điện môi thông thường, và khi chỉ số đó bằng 1, chất điện môi là chất điện môi tôpô Lưu ý ví dụ được xét ở trên chỉ có một cạnh biên Khi hệ có hai cạnh biên số trạng thái biên ứng với tính chất tôpô của khối được tính cho mỗi cạnh biên Chi tiết cụ thể về chất điện môi tôpô có thể xem trong các tài liệu tổng quan [18] Đặc tính xác định chất điện môi tôpô này cũng có thể áp dụng cho chất điện môi 3 chiều Thực nghiệm đã tìm ra chất điện môi tôpô 3 chiều như Bi2Se3, Bi2Te[ 18]

Hình 1.2: Hệ thức tán sắc điện tử giữa hai suy biến Kramer tại  a 0 và b /a Trong hình (a) số trạng thái qua năng lượng Fermi là số chẵn, trong hình (b) là số lẻ

(Hình lấy từ tài liệu [18])

12

CHƯƠNG 2 MẠNG TINH THỂ CÓ CẤU TRÚC VÙNG NĂNG

LƯỢNG PHẲNG

Vùng năng lượng phẳng là vùng năng lượng không có tán sắc, có nghĩa

là nó là một hằng số, không phụ thuộc vào động lượng Vùng năng lương phẳng xuất hiện trong các mạng tinh thể có cấu trúc khác nhau Một trog những mạng tinh thể có cấu trúc đơn giản nhất có cấu trúc vùng năng lượng phẳng là mạng tinh thể Lieb Mạng tinh thể Lieb được quan tâm nghiên cứu khá nhiều, vì ngoài tính chất có cấu trúc vùng năng lượng phẳng, nó còn có cấu trúc tương tự như cấu trúc cơ bản của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa oxit đồng Khi chất điện môi tôpô được phát hiện, mạng tinh thể Lieb lại được quan tâm nghiên cứu và khi kết hợp với liên kết spin-quỹ đạo chúng có khả năng tạo ra trạng thái điện môi tôpô Do vậy có thể kỳ vọng vùng năng lượng phẳng , liên kết spin-quỹ đạo và tương quan điện tử có thể dẫn đến hiện tượng phân số hóa điện tích như trong hiệu ứng Hall lượng tử phân số Do vậy trong chương này, trước tiên chúng tôi sẽ trình bày về cấu trúc vùng năng lượng trong mô hình tổng quát Sau đó cấu trúc mạng tinh thể Lieb sẽ được trinh bày

ở mục 2.2 Mô hình liên kết chặt và cấu trúc vung năng lượng sẽ được trình bày ở mục 2.3 Ở mục 2.4, liên kết spin-quỹ đạo sẽ được đưa vào Cuối cùng mục 2.5 trình bày về điều biến mạng và cấu trúc vùng năng lượng khi có điều biến mạng

trong đó N là số ô mạng cơ sở của mạng tinh thể, R Ilà vị trí của ô mạng I và k

là động lượng tinh thể Áp dụng phép biến đổi Fourier này vào Hamiltonian ở biểu thức (1) chúng ta thu được

2.2 MẠNG TINH THỂ LIEB

Mạng tinh thể Lieb là mạng tinh thể hình vuông mà mỗi cạnh của nó có thêm một nút mạng ở trung điểm như ở hình 1 Mạng tinh thể Lieb là mạng tinh thể phi Bravais Có thể chọn ô cơ sở là hình vuông có chứa ba nút mạng

A, B, C như hình 2.1 Tham số mạng có thể chọn a=1 Như vậy mạng Bravais của mạng tinh thể Lieb là mạng hình vuông thuần túy với hằng số mạng a=1

2.3 MÔ HÌNH LIÊN KẾT CHẶT TRONG MẠNG TINH THỂ LIEB

Mô hình liên kết chặt có Hamiltonian như sau:

† ij ,

Do mạng tinh thể Lieb có 3 nút mạng trong một ô cơ sở cho nên Hamiltonian Bloch là ma trận 3x3 Các trị riêng của Hamiltonian Bloch có thể tìm được từ phương trình đặc trưng

0

x y

Hình 2.2: Cấu trúc vùng năng lượng trong mô hình liên kết chặt của mạng tinh thể Lieb,

2.4 LIÊN KẾT SPIN-QUỸ ĐẠO TRONG MẠNG TINH THỂ LIEB

18

Liên kết spin-quỹ đạo là hiệu ứng tương đối của elecron chuyển động trong một thế tương tác Trong cơ học lượng tử chung ta biết liên kết spin-quỹ đạo có dạng [12,13]

, ,

, ij

trong đó c is và c is Là toán tử sinh hủy electron tại nút mạng tinh thể i có spin

s s là trạng thái spin có spin s là tensor phản đối xứng toàn phần tij là thông số của liên kết spin-quỹ đạo [13]:

19

Hình 2.3: Mạng Bravais của mạng tinh thể Lieb là mạng hình vuông, liên kết spin-quý đạo

có thông số liên kết lớn nhất khi i,j là các nút mạng lân cận tiếp theo, cụ thể là giữa các nút

mạng tinh thể theo đường chéo Thông thường thông số liên kết spin-quỹ đạo giảm rất nhanh khi khi khoảng cách giữa các nút mạng tinh thể i,j xa nhau do hàm sáng Wannier gần như định xứ quanh nút mạng tinh thể Do tính chất đối xứng điểm của mạng tinh thể mà thông số liên kết spin-quỹ đạo có thể bị triệt tiêu ở một số chỗ Mạng Bravais của mạng tinh thể Lieb là mạng hình vuông Do tính chất đối xứng gương qua bất kỳ cạnh nào của hình vuông mà tij  0 khi i,j là các nút mạng lân cận gần nhất Vì vậy liên kết spin-quý đạo có thông số liên kết lớn nhất khi i,j la các nút mạng lân cận tiếp theo, cụ thể là giữa các nút mạng tinh thể theo đường chéo, như ở hình 2.3

Hamiltonian của liên kết spin-quỹ đạo này có thể viết như sau

ij ,

Áp dụng cách tính cấu trúc vùng năng lượng ở mục 2.1 chúng ta thu được Hamiltonian Bloch như sau:

x y

  

Do mạng tinh thể Lieb có 3 nút mạng trong một ô cơ sở cho nên Hamiltonian là ma trận 3x3 Các trị riêng của Hamiltonian Bloch có thể tìm được từ phương trình đặc trưng

Hình 2.4 là cấu trúc vùng năng lượng cho mô hình đang xét khi

có liên kết spin-quỹ đạo Chúng ta có thể thấy liên kết spin-quỹ đạo đã tạo ra khe năng lượng cô lập vùng năng lượng phẳng Khi mật độ số hạt bằng 1/3 (hay 2/3) trạng thái cơ bản là điện môi Còn khi mật độ số hạt bằng ½ tính chất cơ bản của trạng thái cơ bản do vùng năng lượng phẳng xác định

22

Hình 2.5 Cấu trúc mạng tinh thể Lieb khi có điều biến mạng tinh thể trong đó t ij t1  ,

với δ đặc trưng cho sự điều biến cấu trúc mạng tinh thể tại nút (i,j)

Mạng Lieb có 3 nút mạng trong một ô cơ sở cho nên Hamiltonian

Bloch là ma trận sau:

 

 2

0

2)