Optoelectronic studies of strongly correlated 2D materials

Tesi amb menció de Doctorat Internacional

Detalles Bibliográficos
Autor: Luque Merino, Rafael
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2024
País:España
Institución:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositorio:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/452762
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2117/452762
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-452762
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
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spelling Optoelectronic studies of strongly correlated 2D materialsLuque Merino, Rafael621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. TelecomunicacionsÀrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicacióTesi amb menció de Doctorat Internacional(English) The study of strongly-correlated matter in two-dimensional materials has emerged as a exciting prospect for the exploration of condensed matter physics, as well as the design of novel device platforms. Moiré engineering , where the 20 layers feature an interlayer twist angle, has proven to be a powerful tool to engineer electronic correlations . In magic angle twisted bilayer graphene, a twist angle of 1.1° between the graphene layers generates a moiré superlattice potential. A flat electronic band appears at the Fermi level, in which a variety of interaction-driven , many-body quantum phases can emerge . Another avenue to study strong electronic correlations in two dimensions is the exfoliation of intrinsically correlated bulk crystals into the atomic limit. The optoelectronic study of strongly-correlated systems in 20 heterostructures stands out as a powerful probe, as it can provide insight into both the electronic transport properties and the fundamental light-matter interaction in these systems . In this thesis , we study two strongly correlated 20 materials: MATBG and the cuprate superconductor Bi2Sr2CaCu208-delta (BSCC0-2212). We leverage different optoelectronic techniques to study the fundamental properties of the correlated electrons in the MATBG flat bands and the potential of two-dimensional BSCC0-2212 layers for applications in quantum sensing . First, we investigate the electronic spectrum of the MATBG flat bands through the study of their thermoelectric transport . We use an optical excitation to induce a thermal gradient, which in turn generales a charge curren!. We report anomalous thermoelectricity which provides strong evidence for the coexistence of localized and de-localized electronic states in the strongly-interacting flat bands. Next, we study the dynamics of hot carrier cooling in the MATBG flat bands using a frequency-resolved photomixing technique . Strikingly, we find that hot carriers can efficiently relax their energy down to cryogenic temperatures ; in contras! to the case of bilayer graphene samples . We propose a novel Umklapp electron-phonon scattering mechanism for hot carriers in MATBG, enabled by the moiré superlattice potential. Lastly, we explore the development of superconducting photodetectors with high-T_c based on ultrathin BSCC0-2212 flakes . We fabricate high quality samples that exhibit remarkable performance at telecom wavelengths . We observe fast and sensitive bolometric response at T = 77 K in free-space and waveguide-coupled devices , as well as single-photon sensitivity at T = 20 K through a non-bolometric , avalanche detection mechanism .(Català) L'estudi de la materia fortament correlacionada en materials bidimensionals ha sorgit com una perspectiva engrescadora per a l'exploració de la física de la materia condensada, així com el disseny de nous dispositius . L'enginyeria de moiré, on les capes 20 presenten un angle de gir intercapa, ha demostrat ser una potent eina per a induir correlacions electróniques . En el graté bicapa ton;:ada d'angle magic (MATBG en anglés), un angle de gir de 1.1º entre les capes de graté genera un patró de moiré o superxarxa. Una banda electrónica plana apareix a nivel! de Fermi, en la qua! poden sorgir una varietat de fases quantiques de molts cossos impulsades per la interacció.Una altra via per a estudiar correlacions electróniques en 20 és l'exfoliació al límit atómic de materials 30 intrínsecament correlacionats . L'estudi optoelectrónic de sistemes fortament correlacionats en heteroestructures 20 destaca com una eina molt útil, ja que pot proporcionar informació tant sobre les propietats de transport electrónic com sobre la interacció fonamental llum-matéria en aquests sistemes. En aquesta tesi, estudiem dos materials 20 fortament correlacionats : MATBG i el cuprat superconductor Bi2Sr2CaCu208-delta (BSCC0-2212) . Aprofitem diferents técniques optoelectróniques per estudiar les propietats fonamentals deis electrons correlacionats en les bandes planes MATBG i el potencial de les capes bidimensionals BSCC0-2212 per a aplicacions en la detecció quantica . En primer lloc, investiguem l'espectre electrónic de les bandes planes MATBG mitjani;:ant l'estudi del seu transport termoeléctric. Utilitzem una excitació óptica per induir un gradient térmic, que al seu torn genera un corren! de carrega . L'anomalia observada en la termoelectricitat de MATBG constata la coexistencia de portadors de carrega localitzats i deslocalitzats en les bandes planes correlacionades. A continuació, estudiem la dinamica de refrigeració per portadors calents a les bandes planes de MATBG, una técnica de mescla de lasers continus amb resolució de freqüéncia. Observem que els portadors calents poden relaxar la seva energia eficientment a temperatures criogeniques, al contrari que en les mostres de grate bicapa. Proposem un mecanisme nou per a la dispersió entre electrons i fonons en MATBG, basat en un procés Umklapp que sorgeix a conseqüéncia del potencial de moiré. Finalment, explorem el desenvolupament de fotodetectors superconductors d'alta temperatura basats en flocs ultrafins de BSCC0-2212. Fabriquem mostres d'alta qualitat que exhibeixen un notable rendiment en longituds d'ona de telecomunicacions . Observem una resposta bolometrica rapida i sensible a T = 77 K, tant en guies d'ones com en espai lliure. A més, vam demostrar la detecció de fotó únic a altes temperatures (T = 20 K) a través d'una resposta d'allau no bolometrica .(Español) El estudio de materia fuertemente correlacionada en materiales 20 ha surgido corno una oportunidad para el estudio fundamental de la materia condensada y el disefio de dispositivos novedosos. La ingenierfa de moiré, donde las capas 20 son desalineadas rotacionalmente, es una herramienta poderosa para inducir correlaciones electronicas. En el grafeno bicapa rotado de angulo magico (MATBG en inglés), un angulo de 1.1° entre las capas de grafeno crea un patron de moiré o superred. En consecuencia , se forman bandas electronicas planas en el nivei de Fermi, donde aparecen una multitude de fases cuanticas de varios cuerpos, generadas por correlaciones electronicas . Otra via para estudiar correlaciones electronicas en 20 es la exfoliacion al limite atomico de materiales 30 intrfnsicamente correlacionados. El estudio optoelectronico de heterostructuras 20 fuertemente correlacionadas destaca corno una herramienta muy util, ya que permite tanto la exploracion de las propiedades de transporte electronico corno de la interaccion luz-materia en el materiai. En esta tesis, estudiamos dos materiales 20 fuertemente correlacionados : el MATBG y el cuprato superconductor Bi2Sr2CaCu208-delta (BSCC0-2212) . Utilizamos diferentes técnicas optoelectronicas para estudiar las propiedades fundamentales de los electrones en las bandas planas de MATBG, e investigar el potencial de las capas 20 de BSCC0-2212 para aplicaciones en deteccion cuantica . Primero, investigamos las bandas planas de MATBG a través de su transporte termoeléctrico. Utilizamos una excitacion optica para inducir un gradiente térmico en MATBG, que a su vez genera un potencial eléctrico . La anomalia observada en la termoelectricidad de MATBG constata la coexistencia de portadores de carga localizados y de-localizados en las bandas planas con correlaciones A continuacion , estudiamos la dinamica de enfriamiento de electrones fotoexcitados en MATBG utilizando una técnica de mezcla de laseres continuos con resolucion de frecuencia. Observamos que los electrones fotoexcitados pueden relajar su energia eficientemente a temperaturas criogénicas, al contrario que en muestras de grafeno bicapa. Proponemos un mecanismo nuevo para la dispersion ente electrones y fonones en MATBG, basado en un proceso Umklapp que surge a consecuencia del potencial de moiré. Por ultimo, desarrollamos fotodetectores superconductores de alta temperatura basados en capas ultrafinas de BSCC0-2212 . Las nanostructuras fabricadas presentan propiedades fotodetectoras sobresalientes a frecuencias de telecomunicaciones . Observamos fotorespuesta bolométrica con sensibilidad y velocidad récord a T = 77 K, tanto en gufas de ondas corno en espacio libre. Ademas , demostramos deteccion de foton unico a altas temperaturas (T = 20 K) a través de una respuesta de avalancha no bolométrica.Universitat Politècnica de Catalunya20242024-09-0220262026-02-05doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/452762https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-452762reponame:UPCommons. 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