Interactions, external fields and disorder in low-dimensional systems

Resumen

La física de la materia condensada es uno de los campos más prolíficos de la física contemporánea. En los últimos 50 años más de 20 Premios Nobel han sido concedidos a investigaciones que se pueden enmarcar dentro de la física de la materia condensada. En 1956 se galardonó el descubrimiento del transistor, ejemplo tradicional de un dispositivo de estado sólido con una influencia decisiva para el avance de nuestro mundo cotidiano y por supuesto, de nuestra carrera profesional. Desde entonces hasta ahora, cada ciertos años se reconoce bien el desarrollo de instrumental científico fundamental para el estudio de la materia o el descubrimiento de nuevas fases de la materia o la propuesta de nuevas teorías que permitan entender los fenómenos físicos observados. Se ha establecido un nuevo paradigma científico, el campo de la física de la materia condensada, que incluye un amplio número de las investigaciones actuales en física. Este campo está en constante expansión y sus conexiones con otras disciplinas científicas, tales como la biología y la química, son cada vez mayores. Un área relacionada con la materia condesada con creciente interés es el de la nanociencia. Esto se debe tanto a los avances tecnológicos a escala nanométrica como a la formulación de teorías que permiten controlar y predecir los fenómenos físicos en dimensiones reducidas. Habitualmente se estudian sistemas de baja dimensionalidad en los que los portadores de carga están confinados en cero (0D), una (1D) o dos (2D) dimensiones. La mecánica cuántica, gran revolución científica del siglo XX, es el ingrediente fundamental de los modelos teóricos de la física de la materia condensada. Por tanto, se hace necesario plantear nuevas teorías y modelos que capturen la diversidad de fenómenos observados en sistemas de baja dimensionalidad. Esta Tesis está centrada en el estudio del comportamiento de los constituyentes fundamentales de la materia en sistemas de baja dimensionalidad. Este depende de tres aspectos fundamentales: la interacción con otras partículas, los efectos de campos externos y las contribuciones del desorden en sus funciones de onda. En concreto, el estudio se ha enfocado a cuatro sistemas tales como puntos (QDs), hilos (QWs), anillos (QRs) cuánticos y grafeno. La interacción entre partículas se ha explorado en excitones en QWs y QRs, impurezas hidrogenoides en QDs y átomos confinados en trampas armónicas. Se han considerado tres posibles campos externos: un haz láser intenso incidiendo sobre las nanoestructuras, un campo magn´etico en un QR y campos oscilantes en el tiempo en QRs y sistemas 1D relativistas. Los efectos del desorden y su consecuencias sobre la localización de la función de onda electrónica se han analizado en grafeno. El objetivo fundamental ha sido desarrollar modelos teóricos y procedimientos numéricos para aplicarlos a los sistemas anteriormente mencionados, y así comprender y proponer nuevas propiedades físicas de los mismos. Para ello hemos hecho uso tanto de teorías bien establecidas entre la comunidad científica como de los recursos computacionales disponibles en los centro de trabajo donde esta Tesis se ha desarrollado. Con este trabajo hemos entendido la aparición de fenómenos tales como el efecto Aharonov-Bohm (AB) de excitones en QRs bidimensionales, estados ligados al continuo (BIC) en sistemas dependientes del tiempo, el t´unel de Klein (KT) en barreras variables con el tiempo y la localización de Anderson en grafeno.