ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
LÊ THỊ HÓA
TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ VÀ TÍNH
CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA MỘT SỐ
VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
HUẾ, 2024
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
LÊ THỊ HÓA
TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN TỪ VÀ TÍNH
CHẤT HẤP THỤ QUANG-TỪ CỦA MỘT SỐ
VẬT LIỆU BÁN KIM LOẠI TOPO
Ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
Mã số: 9 44 01 03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. HUỲNH VĨNH PHÚC
PGS.TS. LÊ THỊ THU PHƯƠNG
HUẾ, 2024
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Bán kim loại Weyl (WSM) có các điểm Weyl độc đáo trong cấu trúc vùng điện
tử, mỗi điểm Weyl hoạt động như một nguồn và phần chìm của độ cong Berry cùng
với tính chiral dị thường, góp phần tăng cường hiệu ứng từ-quang Kerr, khiến chúng
trở thành ứng cử viên đầy triển vọng đối với các thiết bị quang-từ. Ngoài ra, đặc
trưng topo của WSM làm phát sinh các hiện tượng quang-từ độc đáo, chẳng hạn
như hiệu ứng từ chiral và hiệu ứng Hall dị thường. Bán kim loại Dirac (DSM) có độ
linh động hạt tải cao, các trạng thái bề mặt được bảo vệ do tính topo giúp chống lại
các tác nhân bên ngoài, điều này dẫn đến các hiện tượng kỳ lạ như hiệu ứng Hall
lượng tử dị thường và siêu dẫn topo dưới những điều kiện nhất định. Tương tác
spin-quỹ đạo (SOC) mạnh của chúng gây ra các hiện tượng truyền dẫn phụ thuộc
spin mới. Những tính chất vừa kể trên làm cho DSM trở thành ứng cử viên đầy hứa
hẹn cho các ứng dụng trong điện tử tốc độ cao, điện tử học spin, điện toán lượng
tử và các công nghệ tương lai khác.
Nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ đóng vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu
tính chất vật lý cơ bản của vật liệu và có ứng dụng thiết thực trong việc phát triển
các thiết bị điện tử, cảm biến và công nghệ điện tử học spin.
Tính chất hấp thụ quang-từ là một là một trong những chủ đề hấp dẫn nhất vì
nó phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc điện tử của vật liệu. Nghiên cứu hệ số hấp thụ
quang-từ (MOAC) cho phép chúng ta hiểu được cách mà vật liệu hấp thụ ánh sáng
từ các phạm vi khác nhau của quang phổ. Nghiên cứu độ thay đổi chiết suất (RIC)
đóng vai trò quan trọng trong khoa học vật liệu. Ngoài ra, tán xạ electron-phonon
có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính chất quang của các hệ bán dẫn thấp chiều.
Từ những lí do trên đây, chúng tôi đề xuất hướng nghiên cứu cho luận án tiến
sĩ là: “Tính chất truyền dẫn từ và tính chất hấp thụ quang-từ của một số
vật liệu bán kim loại topo”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung của luận án là nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ và tính chất
hấp thụ quang-từ của một số vật liệu bán kim loại topo.
Mục tiêu cụ thể: Nghiên cứu tính chất truyền dẫn từ của của giếng lượng tử
WSM và một số tấm DSM; Nghiên cứu tính chất hấp thụ quang-từ khi không xét
ảnh hưởng của tương tác electron-phonon của hệ màng mỏng WSM; Nghiên cứu
tính chất hấp thụ quang-từ bao gồm MOAC và FWHM của các tấm DSM dưới ảnh
hưởng của tương tác electron-phonon.
3. Nội dung nghiên cứu
a. Về tính chất truyền dẫn từ
Xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số độ cảm dọc và độ cảm Hall
của giếng lượng tử WSM. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, sự thâm nhập
1
từ trường, điện trường, hướng phân cực của ánh sáng lên chúng trong mặt phẳng
(x, y)và theo phương ztrong cả hai trường hợp WSM pha tạp và WSM không pha
tạp; xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số độ dẫn dọc và độ dẫn Hall
cũng như điện trở suất của một số vật liệu DSM. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của từ
trường, nhiệt độ, mật độ hạt tải lên chúng.
b. Về tính chất hấp thụ quang-từ
Xây dựng biểu thức giải tích và thực hiện tính số MOAC và RIC trong hệ màng
mỏng WSM. Từ đó khảo sát ảnh hưởng của điện trường, từ trường, và nồng độ hạt
tải lên chúng đối với cả hai trường hợp hệ pha tạp và không pha tạp, xây dựng biểu
thức giải tích và thực hiện tính số MOAC trong các tấm DSM dưới ảnh hưởng của
tương tác electron với các loại phonon khác nhau, khi tính đến quá trình hấp thụ
hai photon.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp Kubo, phương pháp phương trình chuyển động, phương pháp
phương trình ma trận mật độ tối thiểu, phương pháp nhiễu loạn, phương pháp
profile.
5. Phạm vi nghiên cứu
Bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac, giả thuyết phonon khối, chỉ xét tương
tác electron-phonon.
6. Những đóng góp mới của luận án
a. Về lý thuyết
- Khi đặt WSM trong một NUMF, các mức Landau bắt đầu tại các giá trị khác
nhau của từ trường và mức Landau càng cao thì giá trị của từ trường càng lớn.
Ngoài ra, số lượng mức Landau được tìm thấy là hữu hạn.
- Phổ năng lượng điện tử trong các DSM không còn phụ thuộc vào căn bậc hai
của từ trường, điều này giúp phân biệt bán kim loại Dirac với các hệ bán dẫn truyền
thống. Ngoài ra, khi đặt trong từ trường cao, đối xứng electron-lỗ trống trong phổ
các mức Landau bị phá vỡ, hiển thị một pha topo trong các bán kim loại Dirac.
Bên cạnh đó, phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng sự chuyển đổi các tính chất của
hệ từ bán kim loại sang bán dẫn có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh điện
trường ngoài.
- Đã giới thiệu phương pháp Kubo.
b. Về vận dụng
- Đã nghiên cứu và khảo sát chi tiết độ cảm dọc và độ cảm Hall của WSM; đã
khảo sát chi tiết độ dẫn dọc và độ dẫn Hall của DSM khi có mặt của trường ngoài.
Kết quả cho thấy các đại lượng trên đều phụ thuộc đáng kể vào điện trường, từ
trường, nhiệt độ, nồng độ hạt tải.
- Đã nghiên cứu và khảo sát chi tiết MOAC và RIC của WSM. Kết quả cho
thấy hai đại lượng này chịu ảnh hưởng đáng kể của nhiệt độ, nồng độ hạt tải, từ
trường và điện trường. Ngoài ra, các dịch chuyển nội vùng và liên vùng mới xuất
2
hiện, điều này do kích thích nhiệt gây ra.
- Đã nghiên cứu tính chất hấp thụ quang-từ của DSM, kết quả cho thấy hành
vi dịch chuyển trong trường hợp hệ không pha tạp và hệ pha tạp có sự khác nhau.
Ngoài ra, các đỉnh từ quá trình phát xạ phonon mạnh hơn so với hấp thụ phonon,
cung cấp kiến thức về tương tác electron-phonon và ảnh hưởng của chúng lên phản
ứng quang-từ của các DSM.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Luận án tập trung nghiên cứu hai vật liệu là WSM và DSM. Hai loại vật liệu
này có tính chất độc đáo và tiềm năng ứng dụng lớn trong khoa học và công nghệ.
Về mặt khoa học, nghiên cứu về hai loại bán kim loại này đã mở ra một lĩnh vực
mới trong vật lý chất rắn, nơi mà các đặc tính lượng tử kỳ lạ được khám phá và
ứng dụng. WSM và DSM đều có tính chất điện tử đặc biệt, trong đó các fermion
có thể mô tả bởi các phương trình Weyl và Dirac. Những fermion này có độ linh
động cao tạo nên các tính chất điện và từ đặc biệt. Điều này dẫn đến các hiện tượng
lượng tử độc đáo như hiệu ứng từ Hall lượng tử dị thường, dị thường chiral. Về mặt
thực tiễn, các nghiên cứu về bán kim loại Weyl và bán kim loại Dirac có thể dẫn
đến những đột phá trong công nghệ điện tử và vật liệu. Các tính chất điện tử đặc
biệt của chúng có thể được khai thác để phát triển các thiết bị điện tử siêu tốc, tiết
kiệm năng lượng và có hiệu suất cao. Ngoài ra, những vật liệu này có thể được sử
dụng trong các ứng dụng quang học và từ tính tiên tiến, chẳng hạn như các cảm
biến từ trường nhạy bén hoặc các thiết bị quang học không truyền thống. Hơn nữa,
nghiên cứu về các bán kim loại này còn đóng góp vào việc hiểu biết sâu sắc hơn về
các hiện tượng lượng tử cơ bản và mối quan hệ giữa vật lý học cơ bản và ứng dụng
công nghệ. Điều này không chỉ mở ra cơ hội phát triển các công nghệ mới mà còn
giúp củng cố nền tảng lý thuyết của vật lý hiện đại. Bên cạnh đó, kết quả mà luận
án đạt được góp phần khẳng định tính đúng đắn của các phương pháp đã sử dụng
trong luận án trong việc khảo sát các quá trình chuyển tải lượng tử trong bán dẫn
thấp chiều nói chung và trong các vật liệu bán kim loại topo nói riêng.
8. Bố cục luận án
Ngoài mục lục, danh mục từ viết tắt, danh mục hình vẽ, danh mục bảng biểu,
danh mục công bố, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính của luận án được
chia thành 3 phần:
Phần mở đầu trình bày lý do chọn đề tài, mục tiêu nghiên cứu, nội dung nghiên
cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài và bố cục
luận án.
Phần nội dung gồm 4 chương: chương 1 trình bày một số vấn đề tổng quan;
chương 2 trình bày tính chất truyền dẫn từ của một số vật liệu bán kim loại topo;
chương 3 trình bày tính chất hấp thụ quang-từ của bán kim loại Weyl khi không
xét ảnh hưởng của tương tác electron-phonon; chương 4 trình bày tính chất hấp thụ
quang-từ của bán kim loại Dirac dưới ảnh hưởng của tương tác electron-phonon.
Phần kết luận trình bày kết quả đạt được của luận án.
3
