Light-matter collective modes and orbital magnetic susceptibility in novel materials

• Autores: Angel Gutiérrez Rubio
• Directores de la Tesis: Tobias Stauber (dir. tes.), Francisco Guinea (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Tony Low (presid.), Iván Brihuega Álvarez (secret.), Andres Castellanos Gomez (voc.), Maia García Vergniory (voc.)
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • This thesis presents several theoretical studies about three novel materials, namely graphene, hexagonal boron nitride (hBN) and MoS2. The di erent works are encompassed by light-matter interactions and semiclassical physics. The former aims at the description of the ensuing collective modes, plasmons and polaritons, whereas the latter deals with non-conventional ray optics and the study of the orbital magnetic susceptibility.

    In the case of graphene, the linear current-current response function at nite temperature and doping is calculated. Focusing on the transverse channel, we present a thorough characterization of plasmons beyond the local approximation. We analyze their fast damping with temperature, the sensitivity to the surrounding dielectric media and the maximum con nement that can be achieved through di erent layered setups. Moreover, the absorption of single- and double-layered structures is discussed as a function of the polarization and incident angle of light.

    Also in graphene, mass-pro le quantum dots are studied as a new mechanism of carrier con nement. Recent experimental techniques involving an Ir substrate allow such a spatial modulation of the gap, which motivates our theoretical approach. We perform an analysis of the spectrum including the e ect of a magnetic eld, and three di erent regimes are identi ed according to its intensity. Linear chains of these dots are discussed as a function of the array parameters, resulting in bands of tunable gap and curvature. Some cases of particular interest are encountered, like overlap-assisted processes inducing a sign change in the renormalized mass or the existence of a regime of Frenkel excitons interacting through a dominant Forster transfer.

    Light-matter interactions are further analyzed with the study of polaritons in hBN nanogranules. In the realm of Hamiltonian optics and by the application of the semiclassical Einstein-Brillouin-Keller and of Gutzwiller's approaches, we reproduce and explain the origin of mid-infrared resonances measured in an experiment. We nd a clear physical picture to interpret them based on closed classical orbits with a common topology. Moreover, a method to predict intensity patterns in near- eld measurements is devised and a numerical simulation proves its validity.

    At last, the orbital magnetic susceptibilities of graphene and MoS2 are calculated using multi-band tight-binding models. For graphene, our analyix x sis yields an extra  12% diamagnetic contribution close to neutrality as a lattice e ect of  orbitals, and some diamagnetic peaks are identi ed with band crossings. For MoS2, we discuss the diamagnetic wells in terms of the underlying Dirac-like gaps. The results reveal that a simple model of Dirac electrons with mass cannot succeed in a quantitative description due to the more complex structure of the Berry curvature. Other 2-band models that t the band structure close to neutrality are also considered in this respect.

    Our analysis accounts for the contribution of each point of the Brillouin zone to the magnetic susceptibility, and helps to discern when geometrical e ects take over the semiclassical description of the orbital magnetization.

    Resumen Esta tesis presenta varios estudios teoricos sobre tres materiales novedosos: grafeno, nitruro de boro hexagonal (hBN) y MoS2. Los distintos trabajos estan englobados bajo dos temas, a saber, las interacciones entre radiacion y materia y la fsica semiclasica. El primero tiene como objeto describir los correspondientes modos colectivos, que son plasmones y polaritones, mientras que el segundo concierne la optica de rayos no convencional y el estudio de la susceptibilidad magnetica orbital.

    En el caso del grafeno, se calcula la respuesta lineal corriente-corriente a temperatura y dopado nitos. Con respecto al canal transversal, se presenta una caracterizacion completa de los plasmones mas alla de la aproximacion local. Analizamos su rapido decaimiento con la temperatura, la sensibilidad a los medios dielectricos del entorno y el maximo con namiento que puede lograrse mediante disposiciones de varias capas. Ademas, la absorcion de estructuras laminadas de una o dos capas se discute en funcion de la polarizaci on y angulo de incidencia de la luz.

    Tambien para grafeno, se estudian los puntos cuanticos de per l de masas como un nuevo mecanismo para con nar portadores. Tecnicas experimentales recientes que involucran un substrato de Ir permiten modular el gap espacialmente, lo que motiva nuestro trabajo teorico. Se lleva a cabo un analisis del espectro incluyendo el efecto de un campo magnetico, y se identi can tres regmenes diferentes segun su intensidad. En funcion de los parametros de la red de puntos cuanticos, se analizan los espectros de cadenas lineales, obteniendose bandas con gaps y curvaturas variables. Algunos casos de particular interes surgen entonces, como procesos asistidos por el solape de las funciones de onda, que inducen un cambio de signo en la masa renormalizada; o la existencia de un regimen de excitones de Frenkel que interaccionan a traves de la dominante transferencia de Forster.

    Las interacciones entre radiacion y materia se analizan tambien para los polaritones en nanogranulos de hBN. En el contexto de la  Optica Hamiltoniana y a traves de la aplicacion de los formalismos semiclasicos de Einstein- Brillouin-Keller y de Gutzwiller, se reproducen las resonancias en el infrarrojo medio medidas en un experimento y se explica su origen. Encontramos una clara imagen fsica para interpretarlas, basada en las orbitas clasicas cerradas que comparten una misma topologa. Ademas, se propone un metodo xi xii para predecir los patrones de intensidad en medidas de campo cercano, cuya validez se prueba mediante una simulacion numerica.

    Por ultimo, la susceptibilidad magnetica orbital de grafeno y MoS2 se calcula usando modelos de tight-binding multibanda. Para grafeno, nuestro analisis da una contribucion diamagnetica extra de un 12% cerca del punto de neutralidad, consecuencia del efecto de red de los orbitales , y algunos picos diamagneticos se identi can en terminos de los gaps de Dirac subyacentes.

    Los resultados revelan que un modelo simple de electrones de Dirac masivos no responde a una descripcion cuantitativa debido a una estructura algo mas compleja de la curvatura de Berry. Otros modelos de dos bandas que se ajustan a la estructura de bandas cerca del punto de neutralidad tambien se tienen en cuenta a este respecto. Nuestro analisis desglosa la susceptibilidad magnetica en la contribucion de cada punto dentro de la zona de Brillouin, y ayuda a discernir cuando los efectos geometricos dominan sobre la descripcion semiclasica de la magnetizacion orbital.