Escuela de Física

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Browsing Escuela de Física by browse.metadata.evaluator "Beltrán Ríos, Carlos Leonardo"

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    Estados ligados de portadores de carga en heteroestructuras semiconductoras
    (Universidad Industrial de Santander, 2011) Gutiérrez Niño, Willian; Mikhailov, Ilia Davidovich; Medina Dagger, Ernesto A.; Quiroga Puello, Luis; Pérez M., Servio Tulio; Beltrán Ríos, Carlos Leonardo
    Se analizan algunas propiedades eléctricas y ópticas de sistemas de pocas partículas confinados en heteroestructuras semiconductoras. Específicamente se estudian los estados acoplados de algunos complejos móviles e inmóviles de portadores de carga, tales como: impurezas donadoras neutras, impurezas cargadas negativamente, donadoras acopladas y excitones neutros, en heteroestructuras en forma de anillo y de hilo. Las características geométricas de tales estructuras permiten hacer una separación de variables artificial en la ecuación de Schrödinger mediante la aproximación adiabática. Este procedimiento nos lleva a derivar una ecuación de onda unidimensional que describe los niveles más bajos de los diferentes sistemas de pocas partículas confinados, los cuales corresponden al movimiento lento de los portadores de carga a lo largo del hilo o en dirección acimutal para el caso del anillo. A diferencia de un gran número de estudios similares realizados anteriormente, donde solo se calcula el estado fundamental, los sistemas en consideración nos permiten analizar el espectro energético completo en el marco de métodos analíticos o numéricos, y calcular una más amplia variedad de parámetros físicos relacionados con las propiedades eléctricas y ópticas de sistemas de pocas partículas en heteroestructuras, como es el caso de los espectros de absorción y fotoluminiscencia, entre otros. Por otro lado, se ha propuesto una metodología novedosa que permite analizar la presencia de campos magnéticos y eléctricos externos, y de desorden en tales sistemas. Dicho desorden puede estar representado por medio de impurezas o por variaciones en la composición o morfología de la estructura. Con este fin se han elaborado nuevos algoritmos y programas computacionales sobre la base de modelos exactos, diagonalización matricial y la aproximación adiabática.
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    Piezoelectricidad en pasta de cemento con adición de nanopartículas de oro y materiales carbonosos: Posible aplicación en electrónica de baja potencia
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-07-14) Triana Camacho, Daniel Andrés; Quintero Orozco, Jorge Hernán; García Sánchez, Felipe; Restrepo Parra, Elisabeth; Delvasto Angarita, Pedro Luis; Cruz Hernández, Ricardo Alfredo; Beltrán Ríos, Carlos Leonardo
    La piezorresistividad es el principio de detección más utilizado en compuestos a base de cemento para aplicaciones de monitoreo estructural. No obstante, la necesidad de alimentación eléctrica para realizar mediciones de resistividad eléctrica restringe la escalabilidad de esta tecnología, especialmente cuando se implementa en estructuras remotas. Para abordar este problema, esta tesis analiza minuciosamente las propiedades eléctricas en corriente alterna, piezorresistividad y piezoelectricidad de compuestos de cemento dopados con nanopartículas de oro, nanotubos de carbono (NTC) multicapa y óxido de grafeno reducido (rGO), y evalúa su potencial uso como sensor de deformación autoalimentado. Aquí, se propone y aplica una metodología integral que involucra espectroscopia de impedancia eléctrica, determinación de potencial de circuito abierto, voltamperometría cíclica y mediciones de esfuerzo-deformación a muestras de laboratorio fabricadas siguiendo diferentes métodos de fabricación según el tipo de inclusión. Además, se desarrollan y validan experimentalmente nuevos modelos para el procesamiento de señales de las respuestas de impedancia eléctrica y electromecánica. Los resultados demuestran que el compuesto de nanopartículas de oro-cemento tiene una importante respuesta piezoeléctrica (57 veces con respecto a las muestras de referencia) en lugar de una respuesta piezoresistiva (su cambio fraccional de la resistencia (FCR) fue inferior al 10 %). Además, los resultados muestran una disminución del 91% en sus propiedades mecánicas para este compuesto de cemento. No obstante, la reducción de sus propiedades mecánicas es similar a la que se produce por cambios en la relación agua/cemento o por la reacción de hidratación, inhabilitando este tipo de compuesto cementicio en la fabricación de estructuras de ingeniería civil. Por otro lado, los resultados de los compuestos basados en cemento-NTC demuestran la eficiencia del modelo en base a medio efectivo, describiendo su respuesta en corriente alterna independientemente del agente dispersante utilizado para elaborar las muestras. Y, con respecto a los compuestos de cemento-rGO, los resultados presentados evidencian que las muestras preparadas por dispersión en una limpiadora ultrasónica logran propiedades óptimas, con coeficientes de carga piezoeléctrica aproximadamente 47 veces mayores que los compuestos previamente reportados en la literatura.
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    Propiedades espectrales de los complejos excitónicos en anillos cuánticos
    (Universidad Industrial de Santander, 2017) Porras Monroy, Luis Carlos; Mikhailov, Ilia Davidovich; Camacho Beltrán, Ángela Stella; Silva Valencia, Jereson; Paredes Gutiérrez, Harold; Beltrán Ríos, Carlos Leonardo
    En esta tesis doctoral se investigan teóricamente el espectro energético y la densidad de los estados de complejos excitónicos neutros y cargados eléctricamente confinados en anillos cuánticos en presencia de un campo magnético externo aplicado a lo largo del eje de simetría. Se hace un estudio cualitativo de los efectos relacionados con la presencia de impurezas y la morfología del anillo cuántico usando las aproximaciones de masa efectiva y adiabática, y el método de expansión en series de Fourier. Un análisis comparativo de los espectros energéticos de los complejos excitónicos muestra la importancia de las corrientes túnel sobre la deslocalización del movimiento relativo de los portadores de carga, su influencia sobre el apagamiento y la restauración de las oscilaciones Aharonov-Bohm en anillos uniformes. El efecto de la presencia de una donadora sobre la densidad de los estados en el espectro energético de un magneto-excitón muestra que la donadora produce un notable corrimiento al rojo de los picos correspondientes al estado base y los primeros estados excitados. Se analiza el efecto de la mezcla de las bandas de valencia sobre las oscilaciones de Aharonov-Bohm de los niveles energéticos del electrón y del hueco en anillos no-uniformes, realizado en el marco del modelo de Luttinger. Se encuentra una disminución de las oscilaciones de Aharonov-Bohm y la formación de corrientes túnel en la presencia de no-uniformidades singulares y múltiples. Se muestra que las corrientes túnel pueden facilitar las oscilaciones siempre y cuando las deformaciones están distribuidas de manera equidistante dentro del anillo cuántico. En el caso contrario, cuando las deformaciones están agrupadas, se observa una extinción de las oscilaciones en el espectro de absorción para los niveles inferiores de energía.
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    Propiedades multifuncionales inducidas por la quiralidad en materiales cristalinos
    (Universidad Industrial de Santander, 2023-10-20) Torres Amaris, Daniel David; Davidovich Mikhailov, Ilia; García Castro, Andrés Camilo; García Vergniory, Maia; Sodemann Villadiego, Inti; Miranda Mercado, David Alejandro; Beltrán Ríos, Carlos Leonardo; Páez González, Carlos José
    En física de la materia condensada y ciencia de los materiales, un compuesto en el que coexisten múltiples propiedades físicas acopladas se conoce como un material multifuncional. Este tipo de compuestos ha llamado mucho la atención debido a la posibilidad que plantean de controlar con precisión una propiedad mediante la interacción con otra. Por lo tanto, dichos materiales que integran y acoplan dos o más propiedades relacionadas con la ferroelectricidad, el magnetismo, el control de espín y la respuesta óptica, entre otras, son candidatos potenciales para aplicaciones modernas. Algunas de las áreas donde los materiales multifuncionales tienen el mayor impacto son los dispositivos de recolección, transmisión y almacenamiento de energía. Un área importante que se investiga activamente está relacionada con la mejora de la eficiencia y la reducción del tamaño de dispositivos electrónicos, junto con la reducción de su impacto en el medio ambiente. Por ejemplo, los dispositivos de control de luz capaces de control de espín, basados en semiconductores ferroeléctricos Rashba (FERSC), se están investigando activamente debido a su potencial en espintrónica y espín-orbitrónica. Las simetrías del sistema, así como su estructura electrónica, son claves para el desarrollo de las propiedades físicas de los materiales. Más precisamente, la ausencia de ciertas simetrías permite ciertas propiedades; por ejemplo, la ferroelectricidad se permite al romper la simetría de inversión (IS, por sus siglas en inglés), mientras que la ruptura de la simetría de inversión temporal (TRS, por sus siglas en inglés) es la fuente del ferromagnetismo. Además, siempre que se rompa una de estas simetrías se permiten estructuras quirales, conocidas como nodos de Weyl, dentro de la estructura de bandas electrónicas. Tales estructuras son soluciones de la ecuación de Weyl y se asemejan a las cuasipartículas quirales sin masa de Weyl. Los compuestos BiSb y TaAs son ejemplos de cristales en los que se obtienen fermiones de Weyl al romper el IS en un sistema con un fuerte acoplamiento espín-órbita. Por otro lado, los ordenamientos magnéticos no colineales relacionados con la ruptura de TRS en antiferromagnetos, como YbMnBi2, también pueden desencadenar la existencia de nodos de Weyl. En particular, romper IS y TRS simultáneamente permite, junto con los nodos de Weyl, un comportamiento multiferroico/magnetoeléctrico donde coexisten propiedades ferroeléctricas y magnéticas. Por lo tanto, romper IS, TRS o ambos establece las condiciones requeridas para la existencia de fermiones de Weyl y propiedades físicas útiles. Además de existir en los nodos de Weyl, la quiralidad se observa en varios ámbitos. La asimetría quiral se encuentra desde partículas subatómicas hasta galaxias, pasando por moléculas, cristales y objetos cotidianos como zapatos. Una forma de reconocer objetos quirales es mediante la imposibilidad de superponerlos en su imagen especular. Un ejemplo del efecto de quiralidad se observa en las moléculas quirales (enantiómeros), que muestran diferentes manifestaciones en propiedades como su sabor, olor, efectividad y seguridad de los medicamentos, entre otras, dependiendo de su lateralidad. Otro ejemplo de quiralidad se observa en antiferromagnetos no colineales, cuya quiralidad puede ser escalar o vectorial, dependiendo de la naturaleza coplanar o no coplanar de los momentos magnéticos que estos presenten. Adicionalmente, existen cristales con grupos espaciales de simetría quiral, como los cristales quirales de teluro puro, que cristalizan en grupos de simetría quiral a derecha e izquierda; Cada uno de los cuales muestra una estructura de espín característica. En tal caso, la quiralidad está fuertemente entrelazada con la estructura electrónica e iónica, dando como resultado propiedades únicas e interesantes como la conductividad anómala de Hall, el efecto fotogalvánico, el efecto anómalo de Nernst, la magnetorresistencia gigante y la superconductividad, entre otras. Se ha demostrado un control preciso de la polarización y la propagación de la luz en la materia quiral enantioselectiva y la interacción de la luz quiral en enantiómeros magnéticos orientados aleatoriamente débilmente interactúantes. Por lo tanto, las condiciones de simetría quiral aparecen como un candidato atractivo para ser la clave para desbloquear y descubrir nuevas propiedades físicas en los sistemas de estado sólido. Este trabajo se concentra en el efecto de la quiralidad en dos escenarios diferentes: primero, en antiferromagnetos quirales no colineales y segundo, en cristales con grupo espacial quiral. En la primera parte, se estudió la interacción entre el magnetismo y la quiralidad en antiperovskitas antiferromagneticas no colineales a base de manganeso y nitruro, Mn3BN (con B un metal de transición). Debido al ordenamiento magnético triangular frustrado sobre su red de kagome formada por los átomos de Mn a lo largo del plano (111), estos compuestos son la plataforma ideal para estudiar el magnetismo y la quiralidad. En este caso, la quiralidad vectorial es inducida por la configuración magnética no colineal, y el acoplamiento espín-órbita es mejorado por el metal de transición B. Los datos obtenidos tras las sustituciones sucesivas B = Ni, Pd, Pt sugirieron una dependencia entre la conductividad anómala de Hall y el acoplamiento espín-órbita. Adicionalmente, resaltaron la importancia de un correcto modelado de las correlaciones electrónicas de la mano de la propiedades estructurales. La dispersión de fonones de Mn3NiN indicó una sensibilidad del compuesto al volumen de la estructura. Señnalando así las deformaciones de compresión y tensión como mecanismo de control sobre las propiedades físicas presentes en este compuesto. La caracterización de la conductividad anómala de Hall en función de la deformación en Mn3NiN, dio como resultado una relación no lineal y no monótona. Adicionalmente, se encontró una mejora de la conductividad anómala de Hall con la compresión, mientras que se produjo una rápida reducción de esta propiedad de transporte bajo tensión de tracción; lo anterior, en el rango de pequeñnas deformaciones. Finalmente, se concluyó que la conductividad anómala de Hall surge de la curvatura de Berry en el plano (111). La segunda parte consistió en la búsqueda de un cristal de grupo espacial quiral con magnetismo. Durante esta fase, se encontró el compuesto ternario LaBPt2, el cual se vuelve ferromagnético al sustituir el sitio de lantano por el lantánido magnético neodimio, dando como resultado NdBPt2. Los resultados indicaron un fuerte dominio del magnetismo quiral sobre la conductividad anómala de Hall, mientras que el efecto de la quiralidad cristalina mostró poca inferencia en dicha propiedad.