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Teoría computacional en Física de la Materia Condensada.

Resumen y líneas de investigación

Nuestro grupo desarrolla nuevas herramientas computacionales aplicables en problemas de muchos cuerpos en Física del estado sólido. Centramos nuestro interés en el estudio teórico de excitaciones electrónicas de baja energía (interacción electrón-fonón, superconductividad, impurezas etc.) y su impacto en la propiedades de materiales como el transporte eléctrico o de espín. Durante los últimos años hemos desarrollado herramientas basadas en las funciones Wannier para un cálculo más eficiente de los elementos de matriz electrón-fonón.

Es de destacar que, recientemente, nuestro grupo ha construido un nuevo marco teórico basado en los Armónicos de Superficie de Fermi (FSH) y que tiene el potencial de revolucionar el poder de cálculo en varios campos de la Física de la materia condensada ya que reduce en varios órdenes de magnitud los requerimientos computacionales necesarios. En este momento centramos nuestro esfuerzo en popularizar el método FSH mediante su aplicación a distintos problemas físicos: transporte de espín y carga, tanto en la superficie como en el volumen de materiales, renormalización de estados electrónicos y teoría electrón-fonón, superconductividad, cálculo de impurezas magnéticas y problemas de scattering, anisotropía magnética o aplicación de métodos no perturbativos.

En particular, estas son nuestras principales líneas de investigación:

  • Aplicación de Funciones Armónicas de Fermi (FSH) en problemas de Física del estado sólido.

  • Anisotropía magnetocristalina y orden magnético.

  • Aplicación de métodos no perturbativos: Grupo de Renormalización, metodo de Monte-Carlo cuántico y diagonalización exacta.

  • Repuesta electrónica en régimen relativista y plasmones de espín.

  • Teoría de funciones de Green aplicada al problema de muchos cuerpos: Interacción electrón-fonón en superficies y volumen de materiales.

  • Problema de transporte de espín y carga en superficie y volumen de materiales.

  • Quasi-particulas, renormalización y teoría auto-consistente de excitaciones electrónicas.

  • Impurezas magnéticas y problemas de scattering: Formalismo de T-matrix y scattering múltiple.

  • Cálculos de primeros principios: Propiedades electrónicas y magnéticas de superficies y adsorbatos.

 

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Estructura de bandas del compuesto bidimensional YbAu_2 crecido sobre Au(111), donde Yb se comporta principalmente como un átomo divalente. Fondo: Dispersión de bandas ARPES en la dirección ΓK de la primera zona de Brillouin. Línea horizontal verde: energía de enlace no interactuante del conjunto de bandas Yb-4f_7/2 . Azul: aproximación parabólica de la banda bidimensional no interactuante con carácter Yb(d_xy)-Au(s) (etiqueta C). La hibridación de esta banda con los orbitales 4f resulta en fluctuaciones con tiempo de vida ~0.2 ps que se manifiesta en el espectro ARPES como un anticrossing (rojo). [De: L. Fernández, M. Blanco-Rey, et al. Nanoscale, 12, 22258-22267 (2020)].

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Representación eficiente de cantidades anisótropas definidas en la superficie de Fermi mediante la base Helmholtz Fermi-surface harmonics (HFSH). Como se muestra en el panel izquierdo, el parámetro de acrecentamiento de masa por la interacción electrón-fonón λ_k,k’ del material MgB_2 requiere de un muestreo denso en el espacio de momentos (~10^3-4 puntos k) para capturar su anisotropía. Tras transformar este parámetro mediante las funciones simétricas HFSH que se muestran en el centro, se obtiene una representación mucho más compacta, en la que solo los primeros coeficientes λ_L,L’ tienen un valor significativo, como se muestra en el panel derecho. [De: J Lafuente-Bartolome, I. G. Gurtubay, and A. Eiguren. Phys. Rev. B 102, 165113 (2020). ]

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Densidad de la función espectral teniendo en cuentra interacciones electrón-fonón en la monocapa de MoS_2 para el modo de fonón A'_1 dentro del régimen de momento pequeño a lo largo de la dirección ΓK obtenido mediante cálculos ab initio (izquierda) y un modelo similar al de Einstein (derecha) para las siguientes concentraciones de dopaje de electrones: ρ=0.015 (a), 0.030 (b), 0.045 (c), 0.060 (d), 0.075 (e), 0.090 (f), 0.105 (g), 0.120 e/u.c. (h). La escala de color representa la altura de la función espectral. Las líneas discontinuas negras representan las relaciones de dispersión de los fonones adiabáticos. Las líneas continuas grises delimitan el continuo de las excitaciones electrón-hueco del modelo similar al de Einstein. [P. Garcia-Goiricelaya, J. Lafuente-Bartolome, I. G. Gurtubay, and A. Eiguren. Phys. Rev. B 101, 054304 (2020)]

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Magnetización inducida para el segundo fonón acústico de menor energía en q=K, debido a desplazamientos perpendiculares al plano de los átomos de W. a) Representación en el espacio real de la magnetización en el plano de los átomos de W para 4 × 4 celdas unidad a lo largo del eje hexagonal de WSe_2 para el segundo modo de energía más baja en q=K. En este modo los átomos de W (círculos rellenos) se desplazan en la dirección perpendicular (ver barra de color) y los átomos de Se por encima (triángulo hacia arriba relleno) y por debajo (triángulo hacia abajo relleno) del plano del W rotan en dirección horaria y con fase opuesta alrededor de sus posiciones de equilibrio (cruces) en sus respectivos planos. El campo de vectores de color es proporcional a la magnetización en el plano en cada punto del espacio real, donde las flechas amarillas/claras (azules/oscuras) representan los valores máximos (mínimos). Estas flechas, así como los desplazamientos de los átomos de Se se han escalado para hacerlos visibles. b) Las flechas coloreadas indican el desplazamiento z de los átomos de W a lo largo de la línea q=K (línea de puntos magenta en a) según la barra de color. La línea discontinua describe la propagación de la vibración a lo largo de varias celdas unidad en el espacio real. Nótese que K = [1/3, 1/3, 0] en los ejes cristalinos, y de ahí la periodicidad de la onda. c) Vista lateral de la unidad WSe_2 de la esquina inferior izquierda de la celda unidad. Los nombres de los átomos muestran su desplazamiento desde su posición de equilibrio, representadas como en a. Esta figura es una instantánea de la evolución temporal para este modo [De I.G. Gurtubay, A. Iturbe-Beristain, and A. Eiguren. Commun Phys 3, 22 (2020)]

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Múltiples quasipartículas fuertemente renormalizadas en la monocapa dopada de MoS_2. (a) Función espectral calculada desde primeros principios incluyendo efectos de interacción electrón-fonón. (b) Zoom de la función espectral correspondiente a la banda exterior sobre el área destacada en (a). (c) Representación tridimensional de (b). (d) El panel derecho muestra la parte imaginaria de la auto-energía ImΣ(ω) para un electrón con momento k_A cerca de K. Los inicios de los escalones ocurren en las energías ω_MA and ω_MO de los fonones acústicos y ópticos en q=M, y las anchuras están marcadas por el incremento en la densidad de estados en los valles ocupados Q′ (áreas amarillas en el panel izquierdo). (e) Dispersión de los tres estados quasipartícula hallados en la banda exterior. Los puntos azules (n=1), verdes (n=2), y rojos (n=3) representan la energía de cada quasipartícula con respecto del momento k. La extensión de las líneas representa el peso espectral de cada quasipartícula, dado por la parte real del correspondiente polo Re(Zn_qp), mientras que la rotación de las líneas representa el valor de la parte imaginaria, Im(Zn_qp)=1 dando una rotación de θn_qp=π radianes. (f) Contribución de cada quasipartícula a la función espectral. La comparación con (c) permite interpretar las estructuras de la función espectral como múltiples quasipartículas.[De P. Garcia-Goiricelaya, J. Lafuente-Bartolome, I. G. Gurtubay, and  A. Eiguren. Communications Physics 2, 81 (2019).]