Dirac fermions in solids  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
72613
Type K
Principal investigator Virosztek, Attila
Title in Hungarian Dirac fermionok szilárdtestekben
Title in English Dirac fermions in solids
Keywords in Hungarian nemkonvencionális kondenzátumok, grafén
Keywords in English unconventional condensates, graphene
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Participants Dóra, Balázs
Ványolos, András
Starting date 2008-04-01
Closing date 2012-12-31
Funding (in million HUF) 9.207
FTE (full time equivalent) 4.60
state closed project
Summary in Hungarian
Tanulmányozni kívánjuk azon szilárdtestfizikai rendszerek viselkedését, melyekben az elektronok energia-impulzus összefüggésének matematikai alakja megegyezik az ultrarelativisztikus Dirac fermionok spektrumával, azaz az energia az úgynevezett kónikus pontoktól való hullámszámtérbeli távolság lineáris függvénye. Ilyen spektrummal rendelkeznek a nemkonvencionális sűrűséghullám alapállapottal rendelkező anyagok, illetve a mindössze három éve felfedezett grafén. A lineáris spektrum következtében ezek a rendszerek sok tekintetben jelentősen eltérő tulajdonságokat fognak mutatni a szokásos fémekhez képest. Tanulmányozni fogjuk többek között a mágneses és nem mágneses szennyezők hatását a Dirac fermionok termodinamikai és transzport tulajdonságaira. A Kondo jelenségkör és a kónikus spektrum találkozása a többtestprobléma új, eddig nem vizsgált megvalósulását kínálja. A Dirac fermionok közötti kölcsönhatás is várhatóan a normál fémekétől eltérő, különlegesen érdekes jelenségek feltérképezéséhez fog vezetni. A tervezett kutatás részben nemzetközi együttműködés keretében fog megvalósulni, témája, különösen a grafén esetében, a szilárdtestfizika nagyon új és ígéretes területeihez kapcsolódik.
Summary
We shall investigate the behavior of solids, in which the mathematical form of the electron dispersion relation is equivalent to the spectrum of ultrarelativistic Dirac fermions, i.e. the energy is a linear function of the distance from the conical points in wavenumber space. Such spectra are encountered in materials possessing unconventional density wave ground state, and graphene, discovered just three years ago. Due to their linear spectrum, these systems will exhibit in many respects very different properties compared to the usual metals. We shall study among others, the effect of magnetic and non magnetic impurities on the thermodynamic and transport properties of such Dirac fermions. The Kondo phenomenon in a system with conical spectrum presents us with a new and hitherto unexplored realization of the many body problem. Interaction between Dirac fermions is also expected to result in exceptionally interesting phenomena, deviating from those in normal metals. The proposed research will be executed in part within the framework of an international collaboration, its topic, especially in the case of graphene, is connected to brand new and promising areas of solid state physics.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Kutatásaink során olyan szilárdtestek viselkedésének elméleti leirását tűztük ki célul, melyekben az elektronok dinamikáját egy a Dirac egyenlethez hasonló összefüggés határozza meg. Tömeg nélküli fermionok energia-impulzus összefüggése igy lineáris lesz, melynek jelenleg messze legismertebb példája a szűk évtizede fölfedezett grafén. Ennek az anyagnak rezonancia módszerekkel történő vizsgálata kapcsán kiszámoltuk az NMR élettartamot és a rezonancia helyének eltolódását, valamint meghatároztuk az elektronok spin relaxációs tulajdonságait. A kisérletekkel való összevetés az intrinsic spin-pálya csatolás dominanciájára utal. Megvizsgáltuk a vezetési tulajdonságokat erős elektromos tér esetén, és azt találtuk, hogy a rendszerben folyó áram az elektromos tér 3/2-dik hatványával nő, melyet kisérletek is igazoltak. Tanulmányoztuk továbbá a grafénbeli Friedel-oszcilláció jellegzetességeit erősen lokalizált szennyező körül, és a lassan lecsengő, hosszú hullámhosszú oszcillációk mellett azonositottunk egy rövid hullámhosszú mintázatot is. Meghatároztuk a felületi akusztikus hullámok segitségével mérhető hullámszám függő vezetőképességet, valamint az állapotsűrűség megváltozását szennyezők hatására. Megállapitottuk, hogy az elektronok közötti taszitás miatt grafénban bekövetkező fém-szigetelő átmenet kritikus exponensei jelentősen eltérnek a Landau-elmélet értékeitől.
Results in English
The aim of our research was to describe theoretically the behavior of solids in which the dynamics of electrons is governed by a formula similar to the Dirac equation. The energy-momentum relation of massless fermions will thus be linear, the most familiar example of which is graphene discovered within the past decade. In connection with the investigation of this material by resonance methods we calculated the NMR lifetime and the shift in the position of the resonance, and determined the spin relaxation properties of the electrons. Comparison with experiments points to the dominance of intrinsic spin-orbit coupling. We investigated the conductance properties in strong electric fields, and found that the current grows wit the 3/2 power of the electric field, which was confirmed by experiments. Moreover we studied the characteristics of Friedel oscillations in graphene around a well localized impurity, and in addition to the slowly decaying long wavelength oscillations we identified a short wavelength pattern as well. We determined the wavenumber dependent conductivity measurable by surface acoustic waves, and the change in the density of states due to impurities. We found that the critical exponents of the metal-insulator transition due to repulsion between electrons in graphene are significantly different from those given by the Landau theory.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=72613
Decision
Yes





 

List of publications

  
Haberer D; Vyalikh DV; Taioli S; Dóra B; Farjam M; Fink J; Marchenko D; Pichler T; Ziegler K; Simonucci S; Dresselhaus MS; Knupfer M; Büchner B; Grüneis A: Tunable bandgap in hydrogenated quasi-free-standing graphene, Nano Lett. 10, 3360, 2010
Dóra B; Haque M; Zaránd G: Crossover from adiabatic to sudden interaction quench in a Luttinger liquid, Phys. Rev. Lett. 106, 156406, 2011
Kiss A; Pályi A; Ihara Y; Wzietek P; Alloul H; Simon P; Zólyomi V; Koltai J; Kürti J; Dóra B; Simon F: Enhanced NMR relaxation of Tomonaga-Luttinger liquids and the magnitude of the carbon hyperfine coupling in single-wall carbon nanotubes, Phys. Rev. Lett. 107, 187204, 2011
Dóra B; Cayssol J; Simon F; Moessner R: Optically engineering the topological properties of a spin Hall insulator, Phys. Rev. Lett. 108, 056602, 2012
Nakamura M; Castro EV; Dóra B: Valley symmetry braking in bilayer graphene: a test to the minimal model, Phys. Rev. Lett. 103: 266804, 2009
Dóra B; Simon F: Unusual hyperfine interaction of Dirac electrons and NMR spectroscopy in graphene, Phys. Rev. Lett. 102: 197602, 2009
Dóra B; Simon F: Electron spin dynamics in strongly correlated metals, Phys. Rev. Lett. 102: 137001, 2009
Dóra B; Ziegler K; Thalmeier P; Nakamura M: Rabi oscillations in Landau quantized graphene, Phys. Rev. Lett. 102: 036803, 2009
Simon F; Dóra B; Murányi F; Jánossy A; Forró L; Budko S; Petrovic C; Canfield PC: Generalized Elliott-Yafet theory of electron spin relaxation in metals: the origin of the anomalous electron spin lifetime in MgB2, Phys. Rev. Lett. 101: 177003, 2008
Dóra B; Gulácsi M; Koltai J; Zólyomi V; Kürti J; Simon F: Electron spin resonance signal of Luttinger liquids and single-wall carbon nanotubes, Phys. Rev. Lett. 101: 106408, 2008
Bácsi Á; Virosztek A: Local density of states and Friedel oscillations in graphene, Phys. Rev. B 82, 193405, 2010
Bácsi Á; Virosztek A; Borda L; Dóra B: Mean field quantum phase transition in graphene and in general gapless systems, Phys. Rev. B 82, 153406, 2010
Dóra B; Ziegler K: Gaps and tails in graphene and graphane, New J. Phys. 11: 095006, 2009
Dóra B; Castro EV; Moessner R: Quantum quench dynamics and population inversion in bilayer graphene, Phys. Rev. B 82, 125441, 2010
Haberer D; Petaccia L; Farjam M; Taioli S; Jafari SA; Nefedov A; Zhang W; Calliari L; Scarduelli G; Dóra B; Vyalikh DV; Pichler T; Wöll C; Alfe DD; Simonucci S; Dresselhaus MS; Knupfer M; Büchner B; Grüneis A: Direct observation of a dispersionless impurity band in hydrogenated graphene, Phys. Rev. B 83, 165433, 2011
Dóra B; Moessner R: Dynamics of the spin-Hall effect in topological insulators and graphene, Phys. Rev. B 83, 073403, 2011
Dóra B; Kailasvuori J; Moessner R: Lattice generalization of the Dirac equation to arbitrary spin: the role of the flat bands, Phys. Rev. B 84, 195422, 2011
Wakutsu T; Nakamura M; Dóra B: Layer-resolved conductivities in multilayer graphenes, Phys. Rev. B 85, 033403, 2012
Fábián G; Dóra B; Antal Á; Szolnoki L; Korecz L; Rockenbauer A; Nemes NM; Forró L; Simon F: Testing the Elliot-Yafet spin-relaxation mechanism in KC8; a model system of biased graphene, Phys. Rev. B 85: 235405, 2012
Dóra B; Bácsi Á; Zaránd G: Generalized Gibbs ensemble and work statistics of a quenched Luttinger liquid, Phys. Rev. B 86: 161109(R), 2012
Pollmann F; Haque M; Dóra B: Linear quantum quench in the Heisenberg XXZ chain: time dependent Luttinger model description of a lattice system, arXiv:1211.1195; Phys. Rev. B rapid communications (közlésre elfogadva), 2012
Dóra B; Ziegler K; Thalmeier P: On the effect of weak disorder on the density of states in graphene, Phys. Rev. B 77: 115422, 2008
Dóra B; Gulácsi M: Inelastic scattering from local vibrational modes, Phys. Rev. B 78: 165111, 2008
Dóra B: Local classical and quantum criticality due to electron-vibration interaction, Phys. Rev. B 79: 165121, 2009
Ziegler K; Dóra B; Thalmeier P: Local density of states in disordered graphene, Phys. Rev. B 79: 235431, 2009
Dóra B; Halbritter A: Temperature dependent conductances of deformable molecular devices, Phys. Rev. B 80: 155402, 2009
Thalmeier P; Dóra B; Ziegler K: Surface acoustic wave propagation in monolayer graphene, Phys. Rev. B 81: 041409(R), 2010
Dóra B; Moessner R: Non-linear electric transport in graphene: quantum quench dynamics and the Schwinger mechanism, Phys. Rev. B 81, 165431, 2010
Dóra B: Disorder effect on the density of states in Landau quantized graphene, Low Temp. Phys. 34: 801, 2008
Dóra B; Gulácsi M; Simon F; Wzietek P; Kuzmany H: Luther-Emery liquid in the NMR relaxation rate of carbon nanotubes, Phys. Stat. Sol. B 245: 2159, 2008
Ma T; Dóra B: NMR relaxation rate and static spin susceptibility in graphene, arXiv: 0802.2387, 2008
Dóra B; Gulácsi M: Inelastic scattering off a nanomechanical resonator, J. Supercond. Nov. Magn. 22: 25, 2009
Ványolos A; Varga G: Interacting particles in two dimensions: numerical solution of the four-dimensional Schrödinger equation in a hypercube, arXiv: 0808.3976, 2008
Ványolos A; Dóra B; Virosztek A: Optical conductivity and electronic Raman response of cuprate superconductors, Physica C 470, S185, 2010
Dóra B; Gulácsi M; Rusznyák Á; Koltai J; Zólyomi V; Kürti J; Simon F: Single-wall carbon nanotubes: spintronics in the Luttinger liquid phase, Phys. Stat. Sol. B 246: 2744, 2009
Galambos M; Fábián G; Simon F; Ciric L; Forró L; Korecz L; Rockenbauer A; Koltai J; Zólyomi V; Rusznyák Á; Kürti J; Nemes NM; Dóra B; Peterlik H; Pfeiffer R; Kuzmany H; Pichler T: Identifying the electron spin resonance of conduction electrons in alkali doped SWCNTs, Phys. Stat. Sol. B 246: 2760, 2009
Dóra B; Gulácsi M; Sodano P: Majorana zero modes in graphene with warping, Phys. Stat. Sol. RRL 3: 169, 2009
Ványolos A; Dóra B; Virosztek A: Infrared and electronic Raman response of coexisting d-wave density wave and d-wave superconductivity, Eur. Phys. J. B 77, 65, 2010
Dóra B; Simon F: Hyperfine interaction in graphene: The relevance for spintronics, Phys. Stat. Sol. B 247, 2935, 2010
Szirmai P; Fábián G; Dóra B; Koltai J; Zólyomi V; Kürti J; Nemes NM; Forró L; Simon F: Density of states deduced from ESR measurements on low-dimensional nanostructures; benchmarks to identify the ESR signals of graphene and SWCNTs, arXiv:1109.2453, 2011
Virosztek A; Bácsi Á: Friedel oscillations around a short range scatterer: The case of graphene, J. Supercond. Nov. Magn. 25, 691, 2012
Dóra B; Murányi F; Simon F: Electron spin dynamics and electron spin resonance in graphene, Europhys. Lett. 92, 17002, 2010
Simon F; Murányi F; Dóra B: Theory and model analysis of spin relaxation time in graphene - Could it be used for spintronics?, Phys. Stat. Sol. B 248: 2631, 2011
Boross P; Dóra B; Moessner R: Testing the Dirac equation against the tight binding model for nonequilibrium graphene, Phys. Stat. Sol. B 248:2627, 2011
Cayssol J; Dóra B; Simon F; Moessner R: Floquet topological insulators, arXiv: 1211.5623; Phys. Stat. Sol. B rapid research letter (közlésre elfogadva), 2012
Boross P; Dóra B; Kiss A; Simon F: A unified theory of the Elliott-Yafet and the D'yakonov-Perel' spin-relaxation mechanisms, arXiv:1211.0826, 2012
Maki K; Dóra B; Virosztek A: Unconventional density waves in organic conductors and in superconductors, pp. 569-587 in: Lebed AG. The physics of organic superconductors and conductors. Springer, Berlin, 2008



Back »