Estudio de la dinámica electrónica en fases dopadas de la cadena lineal de hidrógeno

Abstract

Desde que se observó por primera vez hace más de un siglo, el estudio de la superconductividad ha sido uno de los campos más activos en la investigación científica. Sus posibles aplicaciones hacen que el interés en desarrollar superconductores de alta temperatura crítica (Tc) sea enorme. Sin embargo, no existe una teoría análoga a BCS que sea capaz de explicar qué mecanismos están involucrados en la superconductividad no convencional, que precisamente es aquella que sufren los materiales conocidos que más altas temperaturas críticas presentan en ausencia de altas presiones: los cupratos. El comportamiento de esta familia de compuestos parece deberse a su estructura laminar, en la que planos de ´oxido de cobre en configuración antiferromagnética son los responsables de la superconductividad. Dicha superconductividad se alcanza por medio del dopaje con huecos. Para tratar de estudiar qué ocurre en este tipo de sistemas antiferromagnéticos dopados, en este trabajo se han estudiado las propiedades de la cadena lineal de átomos de hidrógeno. Tal como puede verse en este trabajo, la cadena presenta orden antiferromagnético si la distancia entre átomos consecutivos es suficientemente alta, por lo que es un sistema que puede asemejarse a esas láminas de óxido de cobre características de los cupratos, pero en una dimensión. Por medio de cálculos de primeros principios, empleando el programa CRYSTAL, se han estudiado diversas propiedades de la cadena lineal de átomos de hidrógeno. La geometría, el magnetismo y el comportamiento del sistema ante el dopaje con huecos se han estudiado en detalle. Aplicando modelos de enlace fuerte y modelos de Hubbard, se ha elaborado un código para la simulación de la dinámica electrónica en entados dopados de la cadena. A pesar de que el sistema es en apariencia sencillo, se han encontrado efectos no triviales en su dinámica electrónica, como son la aparición de corrientes de espín en la cadena. En lo relativo a sus demás propiedades, el sistema ha demostrado presentar una gran riqueza de fenómenos diversos, que se han estudiado y analizado en detalle a lo largo de las siguientes páginas.

Since it was first observed over a century ago, the study of superconductivity has been one of the most active fields in scientific research. Its potential applications make the interest in developing high critical temperature (Tc) superconductors enormous. However, there is no analogous theory to BCS capable of explaining the mechanisms involved in unconventional superconductivity, which is precisely what cuprates exhibit. These compounds are currently known to have the highest critical temperatures in the absence of high pressures. The behavior of this family of compounds seems to be due to their layered structure, in which copper oxide planes in an antiferromagnetic configuration are responsible for the superconductivity which is achieved through hole doping. To try to study what happens in these types of doped antiferromagnetic systems, this work has studied the properties of the linear chain of hydrogen atoms. As can be seen in this work, the chain presents antiferromagnetic order if the distance between consecutive atoms is sufficiently high, making it a system that can resemble those copper oxide layer, characteristic of cuprates, but in only one dimension. Through first-principles calculations, using CRYSTAL, various properties of the linear hydrogen atom chain have been studied. The geometry, magnetism, and the system’s behavior under hole doping have been studied in detail. By applying tight-binding models and Hubbard models, a code for simulating the electronic dynamics in doped states of the chain has been developed. Despite the system’s apparent simplicity, non-trivial effects in its electronic dynamics have been found, such as the appearance of spin currents in the chain. Regarding its other properties, the system has demonstrated a great richness of diverse phenomena, which have been studied and analyzed in detail throughout the following pages.