Electronic, magnetic and transport properties of narrow zigzag graphene nanoribbons

Abstract

Estudamos nanofitas de grafeno do tipo zigzag (ZGNRs), empregando simulações da teoria do funcional de densidade (DFT) e o método tight-binding (TB). O principal resultado desses cálculos é a obtenção do entrelaçamento das bandas de condução e de valência (tranças), gerando cones de Dirac para vetores de ondas não comensuráveis k. Empregando o Hamiltoniano TB, mostramos que essas tranças são geradas pela inclusão dos hopping de terceiros vizinhos (N3). Calculamos a estrutura de bandas, a densidade de estados e a condutância; novos canais de condutância são abertos e a condutância na energia de Fermi assume múltiplos inteiros da unidade de condutância quântica G0 = 2e2/h. Também investigamos a satisfação do critério de Stoner por essas ZGNRs. Calculamos as propriedades magnéticas do estado fundamental empregando LSDA (spin-unrestricted DFT) e confirmamos que ZGNRs com N = (2, 3) não satisfazem o critério de Stoner e, desse modo, a ordem magnética pode não se desenvolver nas bordas dessas nanofitas. Esses resultados são confirmados por cálculos TB e LSDA. Por outro lado, incluindo nos cálculos TB o hopping de terceiros vizinhos N3, investigamos os efeitos do acoplamento spin-órbita intrínseco e Rashba, assim como o campo magnético externo sobre as nanofitas zigue-zague do tipo colméia (ZHNRs), e mostramos que é possível obter uma polarização de spin completa das bordas dessas nanofitas. Abrindo com esses resultados a possibilidade de se empregar ZHNRs estreitas como uma plataforma para a realização experimental da cadeia de Kitaev, que pode hospedar fermions de Majorana nas suas extremidades.