Explorando o transporte de spin entre um mental normal e o modelo de Kitaev: correntes de spin em fases de líquido de spin

Abstract

Esta dissertação de mestrado investiga a injeção de corrente de spin na interface entre um metal normal e o modelo de favo de mel de Kitaev, um sistema topologicamente não trivial, caracterizado por interações exóticas de spin e potenciais fases de líquidos de spin quânticos (LSQs), com ênfase nas propriedades de transporte de spin e nas características dos LSQs. O estudo analisa o torque de transferência de spin (spin-transfer torque) na interface devido ao acúmulo de potencial químico de spin na parte condutora, utilizando diversas ferramentas da física da matéria condensada e teoria quântica de campos, dentro da aproximação de teoria de resposta linear. Os resultados são comparados com aqueles obtidos para a interface entre um metal normal e um modelo ferromagnético usual com interações do tipo Heisenberg na mesma rede hexagonal. A investigação da dinâmica da corrente de spin contribui para a compreensão da relação entre dispositivos spintrônicos e LSQs, com possíveis aplicações na computação quântica de próxima geração e em tecnologias baseadas em spin. Os resultados revelam que a corrente de spin assume valores não negligenciáveis apenas quando o acúmulo de potencial químico de spin na região condutora excede a diferença de energia entre os setores topológicos, sendo observada mesmo em temperaturas próximas de T=0 — fenômenos ausentes no modelo ferromagnético usual. Além disso, propõe-se o comportamento da corrente de spin como um método para detectar e diferenciar as fases de LSQ, oferecendo uma abordagem para a caracterização desses estados quânticos exóticos. Palavras-chave: Corrente de spin. Torque de transferência de spin. Modelo de Kitaev. Líquidos de spin quânticos. Interface metal normal–isolante topológico. Transporte de spin. Teoria de resposta linear. Matéria condensada. Computação quântica. Spintrônica.

This master's dissertation investigates spin current injection at the interface between a normal metal and the Kitaev honeycomb model, a topologically nontrivial system characterized by exotic spin interactions and potential quantum spin liquid (QSL) phases, with an emphasis on spin transport properties and the characteristics of QSLs. The study analyzes the spin-transfer torque at the interface due to the accumulation of spin chemical potential in the conducting region, employing various tools from condensed matter physics and quantum field theory, within the linear response theory approximation. The results are compared with those obtained for the interface between a normal metal and a conventional ferromagnetic model with Heisenberg-type interactions on the same hexagonal lattice. The investigation of spin current dynamics contributes to the understanding of the relationship between spintronic devices and QSLs, with potential applications in next-generation quantum computing and spin-based technologies. The results reveal that the spin current assumes non-negligible values only when the spin chemical potential accumulation in the conducting region exceeds the energy difference between topological sectors, being observed even at temperatures close to T=0— a phenomenon absent in the conventional ferromagnetic model. Furthermore, the behavior of the spin current is proposed as a method to detect and distinguish QSL phases, offering an approach for characterizing these exotic quantum states. Keywords: Spin current. Spin-transfer torque. Kitaev model. Quantum spin liquids. Normal metal–topological insulator interface. Spin transport. Linear response theory. Condensed matter physics. Quantum computing. Spintronics.