Browsing by Author "Ptok, Andrzej"
Results Per Page
Sort Options
Item Engineering electronic edge states in kagome platforms(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2026) Sekh, Sajid; Ptok, Andrzej; Piekarz, Przemysław; Domański, Tadeusz; Nowak, Michał; Wohlfeld, KrzysztofPostępy w ciągu ostatnich dekad doprowadziły fizykę materii skondensowanej do skrzyżowania z topologią, prowadząc do rozwoju topologicznych faz materii. Fazy topologiczne charakteryzują się właściwościami objętościowymi, które są chronione przez globalne własności, a nie lokalne parametry porządku. Zakłada się, że materiały wykazujące fazy topologiczne są niewrażliwe na lokalne zaburzenia, takie jak zanieczyszczenia i nieporządek. Jest to niezwykle korzystne w zastosowaniach w urządzeniach, gdzie takie niedoskonałości są często nieuniknione. Fascynującą konsekwencją topologicznego porządku objętościowego jest pojawianie się stanów elektronowych na granicach materiałów. Te stany przewodzące prąd są zazwyczaj znane jako stany krawędziowe lub powierzchniowe, które występują przy izolatorze. W niniejszej pracy proponujemy materiały o strukturze kagome jako platformę do projektowania elektronicznych stanów krawędziowych. Chociaż sieć kagome ma podobieństwa do sieci plastra miodu w swojej strukturze pasm elektronowych, to w unikalny sposób posiada dodatkowe płaskie pasmo. Co więcej, sieci kagome występują w szerokiej gamie związków wykazujących różnorodne zjawiska, takie jak fale gęstości ładunku, nadprzewodnictwo, sprzężenie spin-orbita i magnetyzm. Zmotywowani tymi cechami, badamy zarówno pierwotne, jak i topologiczne stany krawędziowe sieci kagome w granicy monowarstwy. Pierwotne stany krawędziowe powstają w wyniku fizycznej terminacji sieci i identyfikujemy cztery różne terminacje uzyskane poprzez przecięcia liniowe. Terminacje te wpływają na obecność i liczbę stanów krawędziowych, a w niektórych przypadkach mogą je całkowicie stłumić. Po wprowadzeniu wewnętrznego sprzężenia spin-orbita (z ang. spin-orbit coupling SOC), modelowanego za pomocą modelu Kane-Mele, stany te stają się topologiczne. Powstałe stany krawędziowe są spolaryzowane spinowo i propagują się w przeciwnych kierunkach, zgodnie z helikalnymi stanami krawędziowymi Z2, co potwierdzamy za pomocą metody pętli Wilsona. Ponadto wykazujemy, że złamanie symetrii odwrócenia w czasie prowadzi do chiralnych stanów krawędziowych. Połączenie ferromagnetyzmu z polem magnetycznym indukowanym przez SOC typu Rashba powoduje powstanie dwóch topologicznych przerw objętościowych, skutkując bezprzerwowymi stanami chiralnymi dla wszystkich rodzajów krawędzi. Dodanie sprzężenia typu Kane-Mele poszerza przerwę objętościową i prowadzi do powstania dwóch odrębnych faz topologicznych. Jednakże chiralne stany krawędziowe mogą również powstawać wyłącznie z niekolinearnego porządku magnetycznego. W tym scenariuszu pole wymiany magnetycznej może wykazywać dwa odrębne stany w zależności od stopnia przechylenia spinu poza płaszczyznę. Analizujemy stany chiralne w obu przypadkach. Uzyskane wyniki pokazują, że pole magnetyczne indukowane przez Kane-Mele SOC może otwierać lub zamykać przerwy objętościowe i indukować różne fazy topologiczne, w zależności od natężenia pola magnetycznego i pola wymiany magnetycznej. Ogólnie rzecz biorąc, nasze wyniki pokazują, że dostrojenie pola magnetycznego i porządku magnetycznego umożliwia kontrolę nad przerwami objętościowymi i fazami topologicznymi, co może być przydatne w projektowaniu zróżnicowanych i dostrajalnych stanów krawędziowych w układach zawierających sieci kagome.Item Study of Topological Edge States in Selected Solid State Systems(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2025) Yadav, Shivam; Ptok, Andrzej; Piekarz, Przemysław; Kapcia, Konrad; Margańska-Łyżniak, Magdalena; Sedlmayr, NicholasMateriały topologiczne i ich odporne na nieporządek stany brzegowe wzbudziły duże zainteresowanie, znajdując potencjalne zastosowania wykraczające poza badania podstawowe. Wymiarowość krawędzi odgrywa kluczową rolę w naturze tych stanów. Jednowymiarowe (1D) materiały topologiczne, sprzężone z pobliskim nadprzewodnikiem, są zdolne do tworzenia stanów związania Majorany, których nieabelowa natura stwarza potencjał do ich zastosowań w komputerach kwantowych. W niniejszej rozprawie badaliśmy taki quasi-1D układ, w postaci drabinki zawierającej dwa równoległe sprzężone łańcuchy. Stwierdziliśmy, w ramach modelu ciasnego wiązania, że układ z periodycznymi warunkami brzegowymi realizuje fazę topologiczną z niezmiennikiem topologicznym w zakresie [-3, 3]. Wykazujemy, że jest to bezpośredni wynik sprzężenia między nanodrutami, a fazę topologiczną można zmienić poprzez dostrojenie wartości tego sprzężenia. Co więcej, skończony układ zawiera stany związane Majorany w przerwie nadprzewodzącej w pewnych zakresach parametrów. Z drugiej strony, materiały topologiczne dwu- i trójwymiarowe (2D i 3D) wzbudziły zainteresowanie ze względu na stany bezprzerwowe, które manifestują się wewenątrz strefy Brillouina. Te stany bezprzerwowe zachowują się jak quasi-cząstki posiadające cechy fermionów Diraca i Weyla, naturalnie klasyfikując bazowy materiał jako półmetal Diraca i Weyla (DSM i WSM). Materiały te są wysoce obiecujące dla elektroniki nowej generacji i spintroniki ze względu na wysoką ruchliwość elektronów i potencjał dla urządzeń o małej mocy i dużej szybkości. Aby lepiej zrozumieć stany krawędziowe, badamy interfejs pomiędzy izolatorem i WSM. W tej części, wykorzystujemy nieskoenergetyczny model efektywny WSM z symetrią odwrócenia w czasie, który zawiera cztery węzły Weyla (stany bezprzerwowe). Wybierając parametry prowadzące do pożądanego interfejsu, rozwiązujemy problem numerycznie. Wykorzystując funkcję widmową, omawiamy różne obserwacje i właściwości stanów krawędziowych interfejsu.Item Theoretical study of electronic and phononic properties of systems containing kagome-like lattice(The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2024) Basak, Surajit; Piekarz, Przemysław; Ptok, Andrzej; Durajski, Artur; Krawiec, Mariusz; Winiarski, MaciejMateriały zawierające siec kagome stanowią platformę do badania różnego rodzaju zjawisk fizycznych (podstawowych i aplikacyjnych) w fizyce ciała stałego. Sieć powstająca z połączonych wierzchołkami trójkątów posiada wiele intrygujących własności elektronowych, które stanowią podstawę silnych korelacji elektronowych oraz własności topologicznych, wynikających z istnienia w strukturze pasmowej punktów o zdegenerowanych energiach. W tej rozprawie dyskutuje możliwość realizacji sieci kagome oraz podobnej do kagome w układach rzeczywistych. W niektórych pracach pokazano, ze idealna siec kagome jest realizowana w kilku materiałach. W pozostałych przypadkach, układ jest stabilny w fazie, która zawiera zdeformowana siec kagome. Dla przykładu, dokładnie badam to zachowanie w CoGe z różnymi symetriami, w obecności ciśnienia. Analiza miękkiego modu prowadzi do wniosku, ze CoGe nie jest stabilny w symetrii z idealna siecią kagome (np. Cmmm lub P6/mmm), i jest stabilny w obecności dystorsji tej sieci (w symetrii P-62m). Podobne badania przeprowadzono dla Pt3Pb2Sn i FeGe. Pokażemy, ze również taka siec posiada istotny wpływ na własności materiałów. Podobnie jak w przypadku FeGe, może to prowadzić do niestabilności CDW (fali gęstości ładunku). O ile w tym kontekście struktura elektronowa była intensywnie badana, o tyle w przypadku relacji dyspersyjnych fononów badanie punktów zdegenerowanych, linii nodalnych, czy płaskich pasm stanowi otwarty temat. Dla T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) i RhPb, obserwujemy linie nodalne w pasmach fononowych, a w przypadku RhPb stany powierzchniowe pomiędzy tymi liniami. Dla T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) i ABi2 (A = K, Rb, Cs) dyskutuje możliwość znalezienia fononów chiralnych (o skończonej skrętności). W tym kontekście, teoretycznie przewiduje istnienie dwóch nowych materiałów ze złamana symetria inwersji (KRbBi4, RbCsBi4), które mogą być wykorzystane do eksperymentalnego badania fononowego efektu Halla. Opisuje również niektóre interesujące własności elektronów nadprzewodników z siecią kagome. Dokładniej, jak magnetyczna domieszka indukuje stan wewnątrzszczelinowy (wewnątrz przerwy nadprzewodzącej), nazywany stanem Shiby, oraz jak może on być “sterowany” poprzez istnienie płaskiego pasma w układzie. Rozprawa ta stanowi zbiór prac naukowych prezentujących wyniki uzyskane w czasie studiów doktoranckich. Prace naukowe stanowiące ten zbiór zebrane są w Rozdziale 4. Rozdział 3 stanowi krótkie wprowadzenie do tematyki omawianej w pracach naukowych. W Rozdziale 2 opisuje metody zastosowane w prowadzonych badaniach. Materials containing kagome lattice act as a platform to study condensed matter phenomena which are interesting from both fundamental and application perspectives. The lattice, which contains an array of corner-sharing triangles, is known to host many intriguing electronic properties with their roots in the strong electron-electron correlation and topological properties arising from symmetry protected degenerate points in the band structure. In this thesis, I discuss the possibility of realizing kagome and kagome-like lattices in real materials. It will be shown in some works that the perfect kagome structure is found in only a few materials. In all the other cases the compounds stabilize in symmetries containing distorted kagome layers. For example, I explicitly study this phenomenon for different symmetry groups of CoGe, under ambient and applied pressure. The analysis of the phonon soft modes leads to the conclusion that CoGe does not stabilize in the symmetry group containing the perfect kagome layer (Cmmm, P6/mmm), rather it stabilizes in the symmetry group containing distorted kagome layer (P-62m). Similar studies are also presented for Pt3Pb2Sn and FeGe. I will show that this has a significant impact on the properties of materials. Such as, for FeGe it leads to a charge density wave instability, and the reason behind the distortion in this case turns out to be the strong electron-electron correlation amongst the Fe atoms forming the kagome lattice. While immensely studied in the context of electronic band structure, the largely unexplored area of symmetry-protected degenerate points, degenerate lines, and flat bands in the context of phonon band structure will be explored too. For T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) and RhPb, I observe nodal lines in the phonon band structure and for RhPb, phonon drumhead states extending between two such nodal lines in the phonon surface state spectrum are observed. For T3Pb2Ch (T = Pd, Pt and Ch = S, Se) and ABi2 (A = K, Rb, Cs), I discuss the possibility of finding chiral phonons, phonons with finite handedness. In that direction, I theoretically predict two new materials with broken bulk inversion symmetry (KRbBi4, RbCsBi4), which can be synthesized in the experiment and used to study the phonon Hall effect. I also describe some interesting electronic properties of kagome lattice-based superconductors. In particular, it is shown that the presence of van Hove singularity and flat band singularity in the density of states can drastically impact the coupling strength and the decay length of the impurity-induced in-gap bound states of the superconductor (known as the Shiba states), making them more useful for application purposes. This thesis is a collection of papers that resulted from my works performed during my PhD study. The papers are stacked up in Chapter 4. Chapter 3 gives a short guide to the Sections of Chapter 4. In Chapter 2, I describe the theoretical methods used to obtain the results.
