23730

PHY3 154

دكتري

فيزيك

علوم

1403/03/22

301 ص.

زهرا نوربخش حبيب آبادي

نظريه تابعي چگالي , نارساناي توپولوژي , شبه فلزهاي توپولوژي وايل , برهمكنش اسپين-مدار

نظريه تابعي چگالي، ابزاري قدرتمند در دنياي فيزيك ماده¬چگال و شيمي محاسباتي، دريچه¬اي نوين به سوي درك عميق¬تر ويژگي¬هاي الكتروني مواد گشوده است. اين نظريه بر پايه اين ايده بنيادي بنا شده كه تمام ويژگي¬هاي الكتروني يك سامانه، تنها با داشتن چگالي بار آن سامانه قابل استخراج و پيش¬بيني خواهد بود. كاربردهاي گسترده نظريه تابعي چگالي، از محاسبه¬هاي ساختار بلوري و پيش¬بيني¬هاي ترموديناميكي تا محاسبه¬ي ساختار نواري، ويژگي¬هاي فونوني و غيره، نشان¬دهنده¬ي توانايي و كارايي اين نظريه در مطالعه مواد است. در سال¬هاي اخير، نقش اين نظريه در يافتن و مطالعه فازهاي توپولوژي، دريچه¬اي نوين به سوي دنياي شگفت¬انگيز مواد با ويژگي¬هاي خارق¬العاده گشوده است. يكي از بارزترين نمونه‌هاي مواد توپولوژي، نارسانا توپولوژي است. اين مواد، در انبوهه خود نارسانا هستند، درحالي كه كانال¬هاي رسانش كامل در سطح يا مرزهاي خود نشان مي‌دهند. اين پديده، ناشي از وجود حالت‌هاي سطحي يا لبه‌اي با ويژگي‌هاي توپولوژي ويژه است كه برهم‌كنش اسپين-مدار و تبهگني كرامرز نقشي اساسي در آن ايفا مي‌كند. شبه¬¬فلزهاي توپولوژي ديراك و وايل، از ديگر نمونه¬هاي جذاب اين دسته از مواد هستند. اين مواد، به¬ترتيب، داراي نقطه¬هاي ديراك و گره¬هاي وايل در ساختار نواري خود هستند كه ويژگي¬هاي ترابردي يكتايي را به آن¬ها اعطا مي‌كنند. وجود حالت‌هاي سطحي به نام كمان‌هاي فرمي، يكي از بارزترين ويژگي¬هاي اين مواد است. شكسته شدن تقارن‌هاي برگشت زماني يا وارون فضايي نقش كليدي در ايجاد اين فازهاي توپولوژي ايفا مي‌كند. مطالعه¬ها نشان مي‌دهد كه عوامل خارجي مانند فشار، كرنش، ناخالصي و آلائيدگي، ميدان الكتريكي و غيره مي¬توانند در مواد فاز توپولوژي يا كلاس‌هاي توپولوژي مختلف ايجاد كنند. اين امر، زمينه‌هاي نويني را براي طراحي و ساخت مواد با ويژگي¬هاي پيشرفته در حوزه‌هاي مختلف علم و فناوري، از جمله اسپينترونيك، ابررسانايي، و محاسبه¬هاي كوانتومي، فراهم مي‌كند. هدف اين رساله اين است كه با استفاده از توانايي نظريه تابعي چگالي، به جستجوي فاز و كلاس‌هاي توپولوژي در تركيب¬هاي پيشنهادي بپردازد. در انجام اين پژوهش، نقش عواملي مانند فشار هيدرواستاتيكي، تنش و كرنش‌هاي تك¬محوره، و آلايئدگي با غلظت‌هاي مختلف در گذار فازهاي توپولوژي برخي مواد مورد بررسي قرار خواهد گرفت. مطالعه، محاسبه و تجزيه و تحليل ويژگي‌هاي توپولوژي مانند ناورداهاي توپولوژي، نظم نواري (نوارهاي معمولي و وارونه)، و حالت‌هاي سطحي توپولوژي، از جمله اهداف كليدي اين پروهش هستند. علاوه¬بر اين ويژگي¬هاي فيزيكي، مكانيكي و شرايط پايداري تركيب¬ها نيز مورد بررسي قرار گرفته است. انتظار مي‌رود كه اين رساله به معرفي و شناسايي مواد جديد با فازهاي توپولوژي و درك عميق‌تر از سازوكار‌هاي گذار فاز توپولوژي منجر شود. يافته‌هاي اين پژوهش مي‌تواند گامي مهم در جهت توسعه علم مواد توپولوژي و كاربردهاي آن در زمينه‌هاي مختلف باشد.

Density functional theory , Topological insulators , Weyl topological semimetals , Spin-orbit interaction

Study of band order and search for topological phase to find the topological semimetal, nodal line semimetal and topological insulator in materials

فيزيك

Density functional theory (DFT) is a powerful tool in the world of condensed matter physics and computational chemistry that has opened a new window to a deeper understanding of the electronic properties of materials. This theory is based on the fundamental idea that all the electronic properties of a system can be extracted and predicted by having its charge density. The widespread applications of DFT, from calculations of crystal structures and thermodynamic predictions to the band structure calculations, phonon and other properties show the ability and efficiency of this theory in the study of materials. In recent years, the DFT role in the finding and studying of topological phases has opened a new window to the fascinating world of materials with extraordinary properties. Topological insulators are one of the most prominent examples of topological materials. These materials are insulating in their bulk, while exhibit electrical conductivity channels on their surface or boundaries. This phenomenon is due to the presence of surface or edge states with specific topological properties, in which spin-orbit interaction plays a fundamental role. Dirac and Weyl topological semimetals are other fascinating examples of this class of materials. These materials, respectively, have Dirac points and Weyl nodes in their band structure, which grant them unique transport properties. The breaking of either time-reversal or spatial inversion symmetry plays a crucial role in realizing such topological phases. The presence of surface states called Fermi arcs is one of the most striking features of these materials. Studies show that by applying external factors such as pressure, strain, doping and alloying, electric field, etc., can create topological phases or different topological classes in materials. This opens up new avenues for the design and fabrication of materials with advanced properties in various fields of science and technology, including spintronics, superconductivity, and quantum computing. This thesis aims are to search for topological phases and classes in proposed compounds using the ability of DFT. In this research, the role of factors such as hydrostatic pressure, uniaxial stress and strain, and doping with different concentrations on the topological phase transitions of some materials will be investigated. The study, calculation and analysis of topological properties such as topological invariants, band order (normal and inversion bands), and topological surface states are among the key objectives of this research. In addition, the physical, mechanical properties and stability conditions of the compounds will also be investigated. This thesis is expected to lead to the introduction and finding of new materials with topological phases and a deeper understanding of the mechanisms of topological phase transitions. The findings of this research can be an important step towards the development of topological materials science and its applications in various fields.

6

داريوش وشايي

34256