Propiedades multifuncionales inducidas por la quiralidad en materiales cristalinos

Torres Amaris, Daniel David

Propiedades multifuncionales inducidas por la quiralidad en materiales cristalinos

dc.contributor.advisor	Davidovich Mikhailov, Ilia
dc.contributor.advisor	García Castro, Andrés Camilo
dc.contributor.author	Torres Amaris, Daniel David
dc.contributor.evaluator	García Vergniory, Maia
dc.contributor.evaluator	Sodemann Villadiego, Inti
dc.contributor.evaluator	Miranda Mercado, David Alejandro
dc.contributor.evaluator	Beltrán Ríos, Carlos Leonardo
dc.contributor.evaluator	Páez González, Carlos José
dc.date.accessioned	2023-10-23T14:58:41Z
dc.date.available	2023-10-23T14:58:41Z
dc.date.created	2023-10-20
dc.date.issued	2023-10-20
dc.description.abstract	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.
dc.description.abstractenglish	In condensed matter and materials sciences, a compound in which multiple and coupled physical properties coexist is known as multifunctional material. Much attention has been dedicated to such compounds due to the possibility of precisely controlling one property by interacting with another that they pose. Therefore, such materials integrating and coupling two, or more, properties related to ferroelectricity, magnetism, spin-control, and optical response, among others, are potential candidates for modern applications. Some areas where multifunctional materials have the biggest impact are energy harvesting, transmission, and storage devices. An important area that is actively investigated is related to efficiency improvement and device size reduction, along with reducing their impact on the environment. For example, light control devices capable of spin-control, based on Ferroelectric Rashba Semiconductors (FERSC), are being actively investigated due to their potential on spintronics and spin-orbitronics. The symmetries of the system, as well as their electronic structure, are key to the development of physical properties in materials. More precisely, the absence of certain symmetries allows for certain properties; for example, ferroelectricity is allowed by breaking Inversion Symmetry (IS), while breaking of Time-Reversal Symmetry (TRS) is the source of ferromagnetism. Furthermore, chiral structures with linear dispersion, known as Weyl nodes, are allowed within the electronic band structure whenever one of these symmetries is broken. Such structures are solutions of the Weyl equation and resemble the massless chiral Weyl quasiparticles. BiSb and TaAs are examples of crystals where Weyl fermions are achieved by breaking the IS in a system with strong spin-orbit coupling. On the other hand, noncollinear magnetic orderings related to TRS breaking in antiferromagnets, such as YbMnBi2, can also trigger the existence of Weyl nodes. Notably, breaking IS and TRS simultaneously permits, along with the Weyl nodes, a multiferroic/magnetoelectric behavior where ferroelectric and magnetic properties coexist. Thus, breaking IS, TRS, or both sets the required conditions for the existence of Weyl fermions and useful physical properties. Besides existing in the Weyl nodes, chirality is observed in several ambits. The chiral asymmetry is found from subatomic particles to galaxies, passing through molecules, crystals, and everyday objects such as shoes; Chiral objects are recognized by the impossibility of superimposing them on their mirror image. Chiral molecules (enantiomers) show different manifestations on properties like their flavor, odor, drug effectiveness, and drug safety, among others, depending on their handedness. Another example of chirality is observed in noncollinear antiferromagnets, which can be scalar or vectorial for non-coplanar and coplanar orderings. Moreover, there are crystals with chiral symmetry space groups, such as the chiral Telluride crystals, which crystalize in right and left-handed chiral symmetry groups, each displaying a characteristic spin structure. In such a case, the chirality is strongly entangled with the electronic and ionic structure, resulting in unique and interesting properties such as the anomalous Hall conductivity, the photogalvanic effect, the anomalous Nernst effect, giant magnetoresistance, and superconductivity, among others; precise control of polarization and light propagation in the enantioselective chiral matter and chiral light interaction has been demonstrated in weakly interacting randomly oriented magnetic enantiomers. Thus, chiral symmetry conditions appear as an attractive candidate to be the key to unlocking and discovering new physical properties in solid-state systems. This work concerned the effect of chirality in two different scenarios: first, in chiral noncollinear antiferromagnets, and second, in crystals with chiral space groups. In the first part, the interplay between the magnetism and chirality was studied in antiferromagnetic manganese-based nitride antiperovskites, Mn3BN (with B a transition metal). Because of the triangular frustrated magnetic ordering over their kagome lattice formed by the Mn atoms along the (111)-plane, these compounds were the ideal platform for studying chirality and magnetism. In this case, vector chirality is induced by the noncollinear magnetic configuration, and the spin-orbit coupling is enhanced by the transition metal B. The data obtained after the successive substitutions B = Ni, Pd, Pt suggested a dependence of the anomalous Hall conductivity on the spin-orbit coupling. The phonon dispersion of Mn3NiN indicated a sensitivity of the compound to the volume of the structure. Thus, highlighting compression and tension strain deformations as a control mechanism over the physical properties present in the compound. The anomalous Hall conductivity, characterized as a function of the strain in Mn3NiN, gave a nonlinear and nonmonotonic relation. Moreover, in the short range deformations, an improvement of the anomalous Hall conductivity was found with compression, while a rapid reduction of this transport property occurred under tensile strain. Finally, the anomalous Hall conductivity was found to arise from the Berry curvature in the (111)-plane. The second part consisted of the search for a chiral space group crystal with magnetism. During this phase, the ternary chiral compound LaBPt2 was found to become ferromagnetic under the substitution of the lanthanum site for the magnetic lanthanide neodymium, giving NdBPt2 as a result. The results indicated a strong dominance of the magnetism on the anomalous Hall conductivity, almost neglecting the effect of the chirality.
dc.description.degreelevel	Doctorado
dc.description.degreename	Doctor en Física
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dc.identifier.instname	Universidad Industrial de Santander
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dc.identifier.uri	https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/15048
dc.language.iso	eng
dc.publisher	Universidad Industrial de Santander
dc.publisher.faculty	Facultad de Ciencias
dc.publisher.program	Doctorado en Física
dc.publisher.school	Escuela de Física
dc.rights	info:eu-repo/semantics/openAccess
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dc.rights.creativecommons	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
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dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject	Quiralidad
dc.subject	Conductividad Anómala de Hall
dc.subject	Teoría del funcional de la densidad
dc.subject	Cristales
dc.subject	Propiedades topológicas
dc.subject	Sistemas fuertemente correlacionados
dc.subject	Magnetismo frustrado
dc.subject.keyword	Chirality
dc.subject.keyword	Density Functional Theory
dc.subject.keyword	Anomalous Hall Conductivity
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dc.subject.keyword	Frustrated Magnetism
dc.title	Propiedades multifuncionales inducidas por la quiralidad en materiales cristalinos
dc.title.english	Multifunctional Properties Induced by Chirality in Crystalline Materials
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dc.type.local	Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Doctorado