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Tipo: Dissertação
Título: Algumas propriedades de ondas eletromagnéticas confinadas a guias de ondas constituídos por interfaces de isolantes topológicos
Título(s) alternativo(s): Some properties of electromagnetic waves confined to wave guides made of topological insulators interfaces
Autor(es): Melo, Thiago Martins
Primeiro Orientador: Melo, Winder Alexander de Moura
Primeiro coorientador: Pereira, Afrânio Rodrigues
Segundo coorientador: Franco, Daniel Heber Theodoro
Primeiro avaliador: Paiva, Leticia Ribeiro de
Abstract: Nos últimos anos o conceito de ordem topológica tem sido largamente utilizado para classificar fases eletrônicas da matéria como, por exemplo, fases que apresentam efeito Hall quântico. Este efeito se manifesta em materiais com forte interação spin-órbita levando a fases denominadas isolantes topológicos. Um isolante topológico, assim como um isolante comum, possui bandas de valência e de condução separadas por um gap de energia, mas suporta estados de borda sem gap de energia em suas extremidades. Neste trabalho, revisamos as principais propriedades destes novos materiais, bem como, sua estrutura de bandas e a classificação topológica que os distingue dos isolantes triviais. Devido a superfície destes materiais exibirem estados sem gap energético, estes levam à uma condutividade Hall não-nula nas bordas, onde ocorre a manifestação do efeito magneto-elétrico topológico, que por sua vez, é descrito por um termo que acopla os campos elétrico e magnético, juntamente com uma espécie de campo de axion θ que assume valor π para isolantes topológicos e é nulo para isolantes triviais. O efeito magneto-elétrico topológico, modifica algumas propriedades fundamentais na propagação de ondas eletromagnéticas como: a rotação de Kerr e Faraday, ângulo de Brewster. Além de ser possível obter a quantização da resposta eletromagnética em unidades de constantes fundamentais como a constante de estrutura fina. Nesta dissertação, estudamos os efeitos de confinamento de ondas eletromagnéticas a guias de onda cujas paredes são constituídas de isolantes topológicos. Primeiramente abordamos o guia de onda retangular, obtendo as equações de onda, as componentes transversas dos campos elétrico e magnético e a dinâmica espacial das componentes axiais dos campos neste sistema. Posteriormente estudamos em mais detalhes um tipo específico de guia onda denominado slab, que por sua vez, simplifica a análise da propagação das ondas eletromagnéticas devido à simplicidade de algumas equações neste sistema, e as relacionamos com as condições de contorno não-triviais que se originam do efeito magneto-elétrico topológico. Em seguida comparamos os resultados obtidos com alguns guias onda usuais bem conhecidos na literatura.
In recent years the concept of topological order has been widely used to classify electronic phases of matter, like phases that present the quantum Hall effect. This effect manifests itself in materials which present strong spin-orbit interaction, leading to phases named topological insulators. A topological insulator, as well as a common insulator, have the valence and conduction bands separated by an energy gap, but allow border states with no energy gap at both ends. In this dissertation, we review the main properties of such materials, as their band structure and the topological classification that distinguishes them from trivial insulators. Because the surface of these materials exhibit states with no energy gap, it leads to a non-zero Hall conductivity at the boundaries, where the manifestation of topological magneto-electric effect occurs, which, in turn, is described by a term that couples the electric and magnetic fields, with a kind of axion field θ which has a value equal π for topological insulators and a null value for non-topological insulators. The magneto-electric topological effect changes some fundamental properties in the electromagnetic waves propagation, as the Kerr and Faraday rotation and the Brewster s angle. Besides being possible to obtain the electromagnetic response quantization in terms of fundamental constants units, like the fine structure constant. In this dissertation, we studied the effects of electromagnetic waves confinement to waveguides, whose walls are made of topological insulators. First we deal with the rectangular waveguide, obtaining the wave equations, the transverse components of the electric and the magnetic fields and the spatial dynamics of the field axial components in this system. Later, we studied in a more detailed way a specific type of waveguide, called slab waveguide, which simplifies the propagation of electromagnetic waves analysis due to the simplicity of some equations in this system, and relate them to the non-trivial boundary conditions, originated from the topological magneto-electric effect. Finally, we compare the results with some well-known waveguides from the literature.
Palavras-chave: Isolante
Topológico
Guias
Ondas eletromagnéticas
Insulation
Topology
Guides
Electromagnetic waves
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Idioma: por
País: BR
Editor: Universidade Federal de Viçosa
Sigla da Instituição: UFV
Departamento: Física Teórica e Computacional; Preparação e Caracterização de Materiais; Sensores e Dispositivos.
Programa: Mestrado em Física Aplicada
Citação: MELO, Thiago Martins. Some properties of electromagnetic waves confined to wave guides made of topological insulators interfaces. 2011. 63 f. Dissertação (Mestrado em Física Teórica e Computacional; Preparação e Caracterização de Materiais; Sensores e Dispositivos.) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2011.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://locus.ufv.br/handle/123456789/4252
Data do documento: 26-Jul-2011
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