EDGE STATES AND DIRAC CONES IN BIDIMENSIONAL CRYSTALS
ÉTATS DE BORD ET CÔNES DE DIRAC DANS DES CRISTAUX BIDIMENSIONNELS
Résumé
This thesis in physics constitutes a theoretical study of the edge states in bi-dimensional crystals which exhibit two Dirac cones (spin degenerated) in their dispersion relation. The two systems considered are both the graphene and the square lattice with half a magnetic quantum flux per plaquette. The analytical description of the dispersive energy levels in a high magnetic field (quantum Hall effect regime) due to the presence of edges is highlighted. According to the geometry of the crystal lattice and the shape of the edge, different kinds of coupling are induced between the components of the wave function. This gives rise to various structures of edge sates which however can be described in a common way. Without any magnetic field, some edge states can also exist in these systems, but they have a different origin and their existence itself depends on the shape of the edge. In the case of graphene, we show how to connect the existence of these edge states with a particular type of Berry phase, the so-called Zak phase. This approach allows, for instance, to understand how to manipulate these edge states by tuning the bulk parameters, what involves a topological transition of the Zak phase. Another type of topological transition has also been studied. It consists in the merging of the Dirac cones in the square lattice with half a quantum flux. We show that the mechanism leading to such a phenomena strongly differs from the one known in graphene, and that the physics around the transition can however be described within the same effective Hamiltonian. A shorter second part deals with the weak localization on a disordered cylinder with electronic interactions. The aim of this study is to illustrate the role of the geometry in the decoherence mechanisms due to electron-electron interactions in diffusive systems. The harmonics of the weak localization correction calculated reveal different regimes which probe the different length scales characterizing the decoherence. These lengths underline the sensibility of coherent processes to the geometry and are characterized by specified power laws in temperature.
Cette thèse en physique constitue une étude théorique des états de bord dans des cristaux bidimensionnels qui exhibent deux cônes de Dirac (dégénérés en spin) dans leur relation de dispersion. Les deux systèmes considérés sont le graphène d'une part, et le réseau carré traversé d'un demi quantum de flux magnétique d'autre part. L'accent est mis sur la description analytique des niveaux d'énergie dispersifs sous fort champ magnétique (régime de l'effet Hall quantique), à l'approche du bord. Selon la géométrie du réseau cristallin et la forme du bord considéré, différents types de couplage sont induits sur les composantes de la fonction d'onde, donnant lieu à des structures d'états de bord différentes mais qui peuvent néanmoins être décrites de façon communes. En l'absence de champ magnétique, des états de bord peuvent également exister dans ces systèmes, mais ceux-ci ont une origine différente et leur existence même dépend de la nature des bords. Dans le cas du graphène, on montre comment comprendre l'existence de tels états en terme d'une phase de Berry particulière, appelée phase de Zak. Cette approche permet entre autre de comprendre comment manipuler ces états de bord en induisant une transition topologique de la phase de Zak à partir des paramètres de volume. Un autre type de transition topologique est également étudié. Il s'agit de la fusion des cônes de Dirac dans le réseau carré à demi flux. On montre que le mécanisme donnant lieu à ce phénomène est totalement différent de celui connu dans le graphène, et que le voisinage de la transition peut toutefois être décrit avec le même Hamiltonien effectif. Une partie plus courte traite de la localisation faible sur un cylindre désordonné en présence d'interactions électroniques. Le but de cette étude est d'illustrer le rôle de la géométrie sur les mécanismes de décohérence dus aux interactions électron-électron dans les systèmes diffusifs. Les harmoniques de la correction de localisation faible alors calculées mettent en évidence différents régimes qui permettent de sonder les différentes échelles de longueur caractérisant la décohérence. Ces longueurs révèlent la sensibilité des processus cohérents à la géométrie, et sont caractérisées par des lois de puissance en température spécifiques.
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