Termoelectricidad cuántica y fenómenos de transporte en nanoestructuras topológicas

Abstract

En las últimas décadas, el estudio de materiales topológicos se volvió uno de los temas más relevantes en física de materia condensada. Los sistemas son clasificados de acuerdo a un invariante topológico además de las simetrías que poseen y sus propiedades permanecen robustas ante perturbaciones o desorden. Entender tales estados topológicos puede llevar a un próspero camino para una nueva generación de materiales con aplicaciones que abarcan desde metrología cuántica a computación cuántica e inteligencia artificial. Esta tesis doctoral presenta un estudio de los fenómenos térmicos y termoeléctricos que se desarrollan en tres nanoestructuras topológicas. El primer dispositivo en consideración es una estructura Corbino en el régimen de Hall cuántico. Presentamos un análisis teórico junto con mediciones experimentales. La medición del termovoltaje es cualitativa y cuantitativamente modelada sobre la base de mediciones independientes de la conductividad eléctrica, indicando que los mecanismos de transporte se originan predominantemente en la difusión electrónica. Implementamos una descripción de los coeficientes de Onsager basado en una única función de transmisión, de la cual ambos, termovoltaje y conductividad eléctrica, pueden ser predichos con un solo parámetro de ajuste. Aún más, pudimos predecir grandes valores de la figura de mérito para la eficiencia como una máquina térmica o de enfriado en los niveles de Landau parcialmente llenos. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el paper 1 de la lista. En el segundo dispositivo en consideración, se estudiaron las propiedades termoeléctricas de los pares de Kramers helicoidales en el estado de borde de un aislante topológico en el régimen de spin Hall cuántico. Los estados de borde se encuentran acoplados a un nanomagneto con un componente de la magnetización perpendicular a la dirección de la interacción spin-órbita del material. Mostramos que la función de transmisión de este dispositivo tiene las propiedades deseadas para alcanzar la óptima performance en el régimen cuántico coherente. Para un solo dominio, la potencia generada es casi la máxima alcanzable. Si un segundo dominio se agrega con diferente orientación, la función de transmisión tiene una resonancia. Su origen se debe a que el sistema pasa a una nueva fase topológica albergando un solitón de Jackiw-Rebbi. Proveemos también estimaciones para la fabricación de este dispositivo con un pozo cuántico topológico en HgTe. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el paper 2 de la lista. Finalmente, estudiamos el transporte térmico cuando se le agregan contactos superconductores al sistema anterior. Mostramos que la conductancia térmica es muy sensible a la presencia de una resonancia de Jackiw-Rebbi, a diferencia de la corriente Josephson o el espectro de Andreev. Se presenta un detallado análisis de estas propiedades en el caso de uno y dos dominios magnéticos. Las configuraciones que alberguen un solitón magnético conllevan a un comportamiento peculiar en la conductancia térmica relativa al cuanto térmico, caracterizada por un valor negativo en la pendiente como función de la temperatura, justo por encima de la temperatura crítica del superconductor. Los resultados de este trabajo fueron publicados en el paper 3 de la lista.In the last decades, the study of topological materials became one of the most relevant topics of condensed matter physics. Systems are classified according to a topological invariant in addition to the symmetries and their properties remain robust under perturbation or disorder. Understanding such topological states of matter may lead to an affluent path for a new generation of quantum devices, with applications ranging from quantum metrology to quantum computation and AI. This doctoral thesis presents a study of thermal and thermoelectrical phenomena that develops in three topological nanoestructures. The first device under consideration is a Corbino structure in the quantum Hall regime. We present a theoretical analysis together with experimental measurements. The measured thermoelectric voltage is qualitatively and quantitatively modeled on the basis of the data recorded from independent measurements of the conductivity. This is consistent with a transport mechanism dominated by electron diffusion. We implement a description of the Onsager coefficients based on a single transmission function, from which both thermovoltage and conductivity can be predicted with a single fitting parameter. Furthermore, we predict a large figure of merit for the efficiency of the thermoelectric performance for the partially filled Landau levels and high magnetic fields. The results of this work were published in paper 1 of the list. Secondly, we study the thermoelectric properties of a Kramers’ pair of helical edge states of a topological insulator in the quantum spin Hall regime. The edge states are coupled to a nanomagnet with a component of the magnetization perpendicular to the direction of the spin-orbit coupling interaction of the host. We show that the transmission function of this device has the desired qualities for optimal thermoelectric performance in the quantum coherent regime. For a single magnetic domain, there is a power generation close to the optimal bound. When a second magnet with different orientation is added, the transmission function has a resonance. Its origin is due to the system transitions to a topological phase hosting a Jackiw-Rebbi soliton. We provide estimates for the fabrication of this device with HgTe quantum-well topological insulator. The results of this work were published in paper 2 of the list. Finally, we study the thermal transport when two superconducting leads are added to the previous device. We show that the thermal conductance turns out to be very sensitive to the presence of Jackiw-Rebbi resonance, unlike the Josephson current or the Andreev spectrum. A detailed analysis of these properties in the case of a single and two magnetic domains is presented. Configurations hosting solitonic magnetic modes lead to a peculiar behavior of the thermal conductance relative to the thermal quantum, characterized by a negative slope as a function of the temperature, just above the superconducting critical temperature. The results of this work were published in paper 3 of the list.