Nuevas manifestaciones de estados topológicos de la materia

Abstract

Un aislante topológico es un material que se comporta como un aislante en su interior pero que presenta estados de borde o superficie conductores que son robustos a perturbaciones externas y defectos en el material. Estos estados peculiares, llamados estados topológicos, pueden ser intrínsecos al material o estar inducidos por potenciales externos, como un campo magnético o incluso luz. El último caso corresponde a los llamados aislantes topológicos de Floquet, una de las encarnaciones más recientes de las fases topológicas, ahora fuera del equilibrio debido a la iluminación intensa. Utilizando herramientas teóricas y numéricas, en esta tesis estudiamos los efectos de potenciales dependientes del tiempo en diversos materiales y sistemas, incluyendo materia ultra fría o redes ópticas. Conjugando herramientas y conceptos de estados topológicos, teoría de Floquet y transporte cuántico, exploramos firmas distintivas de nuevas fases topológicas únicas en estos sistemas forzados, así como también cómo manipular estados topológicos nativos usando luz. Las contribuciones originales que componen esta tesis pueden ser separadas en dos partes conceptualmente diferentes. La primera parte, apunta a usar la luz para controlar los estados topológicos intrínsecos de un material bidimensional producidos por la interacción spin-órbita. La robustez antes mencionada de los estados de borde topológicos es quizás una de las características más interesantes de estos sistemas, aunque, al mismo tiempo, impone nuevos desafíos si se busca controlar su respuesta. En efecto, perturbaciones o defectos, comúnmente utilizados a tal efecto son ineficaces. En esta tesis mostramos cómo es posible aprovechar el juego entre los estados topológicos nativos del sistema, la interacción con luz intensa y el manejo de su polarización, y el acoplamiento spin-órbita tipo Rashba, para lograr: i) la generación de corrientes polarizadas en spin a voltaje nulo, ii) el control de procesos de inversión de espín (espín-flip). La segunda parte atañe al estudio de firmas topológicas en el transporte cuántico de aislantes topológicos de Floquet-Anderson. Esta fase, únicamente accesible en sistemas periódicos, está definida por la propiedad de que todos los estados que forman las bandas de un sistema quedan completamente localizados por el desorden al tiempo que los estados de borde topológicos persisten, condición imposible en sistemas estáticos debido al llamado argumento de Halperin. Estudiamos el transporte cuántico tanto en la brecha móvil como en las bandas, mostrando que a pesar de la localización de los estados en las bandas en presencia de desorden, los estados topológicos mantienen su conducción.