Cálculos de primeiros princípios em isolantes topológicos: HgTe/CdTe
Abstract
A observação do efeito Spin Hall Quântico na heteroestrutura HgTe/CdTe motivou o estudo
de materiais que exibem uma corrente eletrônica spin-polarizada nas suas interfaces/
superfícies. Estes estados são topologicamente protegidos frente a perturbações que
preservam a simetria de reversão temporal e apresentam uma dispersão linear formando
um Cone de Dirac. Entretanto, perturbações não-magnéticas (que preservam a reversão
temporal) irão certamente afetar estes estados de interface/superfície. Neste trabalho,
usamos a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), para caracterizar os estados topologicamente
protegidos da heteroestrutura HgTe/CdTe (001), que é um Isolante Topológico
(IT) 2D. Para uma descrição mais correta das posições dos níveis na estrutura de bandas
do HgTe, nós usamos o método GGA+U. Na heteroestrutura, a caracterização dos estados
topologicamente protegidos mostrou uma textura de spin no plano da interface, do tipo
Rashba. Analisamos os efeitos de perturbações externas na heteroestrutura HgTe/CdTe
(001), como pressões e campo elétrico. Mostramos que ambas perturbações modificam a
energia do ponto de cruzamento e a dispersão dos estados protegidos, mas não destroem
a fase topológica. Estudamos também a presença de defeitos na interface HgTe/CdTe
(001), como um anti-sítio, uma vacância e uma impureza magnética de Fe. A presença
de um anti-sítio e de uma vacância não afetam a polarização de spin dos estados protegidos
e nem sua dispersão. Por outro lado, a presença de uma impureza magnética
afeta significantemente estes estados, degradando a polarização de spin para os estados
próximos a impureza magnética e fazendo que o sistema apresente componentes de spin
fora do plano da interface/superfície. Além disso, estudamos a superfície de HgTe com
diferentes espessuras (38, 64, e 129 Å ) e terminações (Hg e Te). Para as estruturas
com uma espessura de 38 Å , os estados com polarização de spin não apresentam uma
dispersão linear, entretanto, quando aumentamos a espessura do material, observamos
a formação dos estados de superfície com uma dispersão linear e polarização de spin,
caracterizando a formação do cone de Dirac. Mostramos também, que pressões biaxiais
modificam a dispersão dos estados com polarização de spin. Realizamos um estudo de
materiais que são Isolantes Topológicos quando submetidos a pressões externas. Neste
caso estudamos as estruturas antiperovsquitas Sr3BiN e Ca3BiN, usando método GW
auto-consistente. Mostramos que esses materiais apresentam uma inversão dos níveis
de energia Bi-pz e Bi-s quando sujeitos a pressão externa biaxial distensiva. Concluímos
que estes materiais podem ser caracterizados como Isolantes Topológicos sob pressão.