MARC

 008260126s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798263307875
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI32409877
■035    ▼a(MiAaPQ)124302
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aMcKay,  Robert  C.
■24510▼aExploring  Linear  and  Nonlinear  Electromagnetic  Responses  in  Topological  Materials
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Illinois  at  Urbana-Champaign▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a159  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Vishveshwara,  Smitha.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Illinois  at  Urbana-Champaign,  2024.
■520    ▼aThis  dissertation  serves  to  examine  the  linear  and  nonlinear  electromagnetic  response  properties  in  topological  materials.  Topological  materials  tend  to  produce  unique  transport  signatures  that  point  to  the  underlying  topology  of  its  electronic  energy  bands.  Furthermore,  given  the  recent  experimental  interest  in  terahertz  spectroscopy  and  nonlinear  response  theories,  we  specifically  focus  on  the  linear  and  nonlinear  electromagnetic  response  properties  in  such  materials.  The  particular  and  timely  topological  materials  that  are  covered  in  this  thesis  are  the  conventional  Weyl  semimetal,  the  Kramers  Weyl  semimetal,  and  the  moire  Chern  insulator.  An  introduction  and  all  the  models  used  in  this  thesis  are  given  in  Ch.  1.We  begin  this  research  topic  by  understanding  how  charge-density  waves  impact  electric  field-induced  transport  in  the  topological  system:  the  Weyl  semimetal.  Research  over  the  past  several  years  has  reinvigorated  the  examination  of  how  charge-density  waves  interact  with  topology.  This  renewed  interest  stems  not  only  from  advancements  in  optical  spectroscopy  experiments  (i.e.  more  readily  measurable  nonlinear  electromagnetic  responses)  but  also  in  how  materials  with  distinct  transport  signatures  are  impacted  by  charge-density  wave  interactions.  To  understand  how  topologically  nontrivial  Weyl  semimetals  couple  to  charge-density  waves,  we  evaluate  the  linear  and  nonlinear  longitudinal  collective  responses  from  perturbing  electric  fields,  and  contemplate  the  possible  collective  phonon  modes  mediating  these  responses.  We  consider  the  onset  of  the  phase-modulating  (massless)  collective  modes  and  amplitude-modulating  (massive)  collective  modes  in  these  responses.  We  find  that  the  tilted  Weyl-charge-density  wave  model  can  yield  nontrivial  linear  longitudinal  collective  conductivity,  mediated  by  the  massless  collective  propagator  mode.  We  also  find  that  the  untilted  Weyl-charge-density  wave  model  can  yield  a  third-order  longitudinal  collective  conductivity  mediated  by  the  massive  collective  propagator  mode.  We  lay  out  all  of  this  longitudinal  collective  response  analysis  from  a  perturbing  electric  field  in  Ch.  2.Continuing  our  research  into  the  electromagnetic  transport  in  Weyl  semimetals,  we  will  also  explore  the  angle-resolved  photoemission  spectroscopy  of  a  Kramers  Weyl  semimetal.  The  Kramers  Weyl  semimetal  is  an  interesting  topological  system  with  nested  Fermi  surfaces,  stemming  from  chiral  materials  with  strong  spin-orbit  coupling  at  high  symmetry  points.  This  widens  the  breadth  of  this  thesis,  not  only  in  terms  of  exotic  topological  materials,  but  also  in  terms  of  electromagnetic-induced  responses.  In  this  chapter,  we  also  consider  the  experimentally  relevant  system  of  (TaSe4)2I,  which  allows  for  experimental  checking  of  our  one-step  photoemission  model.  We  investigate  how  the  spin  texture  of  Kramers  Weyl  fermions  affects  photoexcitations  in  such  materials.  We  find  that  a  combination  of  time-reversal  symmetry,  orbital  functions,  and  radial  (pseudo-)spin  texture  close  to  the  Kramers  Weyl  node  impacts  the  dichroism  in  an  asymmetric  way  that  is  consistent  with  experiments.  The  topic  of  the  Kramers  Weyl  semimetal  and  its  photoexcitation  model  is  presented  in  Ch.  3.In  furthering  our  pursuit  of  electromagnetic  response  theories  in  topological  materials,  we  also  theorize  about  including  spatial  inhomogeneities  in  our  nonlinear  response  framework.  Since  perturbing  electromagnetic  fields  can  transfer  not  only  energy  (via  frequency)  but  also  momentum  (via  wavevectors)  through  fermion  excitations,  then  we  adopt  a  response  theory  that  accounts  for  excitations  in  wavevector.  Crucially,  we  require  that  our  spatially  inhomogeneous  response  theory  obeys  the  conservation  of  current.  In  formulating  this  response  theory,  we  consider  two  topological  material  models  that  are  experimentally  relevant:  the  Weyl  semimetal  and  the  moire  Chern  insulator.  We  first  explore  the  anomalous  Hall  response  in  Weyl  semimetals,  subject  to  spatial  inhomogeneities,  which  reveals  opposing  contributions  between  the  Berry  curvature  and  the  density  of  states.  We  then  apply  our  results  to  study  the  Kerr  effect  in  the  moire  Chern  insulator,  which  exemplifies  the  experimental  pertinence  of  spatially  inhomogeneous  fields  in  such  systems,  given  their  large  effective  lattice  constants.  We  further  examine  the  nonlinear,  magnetic,  and  magnetoelectric  phenomena  in  the  Chern  insulator.  We  provide  this  wavevector-dependent  holistic  progression  in  the  electromagnetic  response  theory  in  Ch.  4.In  the  penultimate  chapter,  we  apply  the  formulations  we  have  developed  from  previous  chapters  (i.e.  collective  charge-density  wave  modes,  Weyl  semimetals,  and  spatially  inhomogeneous  electromagnetic  responses)  to  study  the  axionic  electromagnetic  response.  We  specifically  focus  on  methods  for  experimentally  observing  the  axion  through  a  collective  optical  response.  We  not  only  show  that  optical  evidence  of  the  axion  is  possible,  but  we  also  extend  our  analysis  to  beyond  linear  order  in  the  corrections  to  Maxwell's  equations.  This  result  is  particularly  important  since  the  experimental  observation  of  the  axion  in  Weyl-Charge-density  wave  systems  has  been  a  topic  of  debate.  Therein,  we  ultimately  show  that  the  axionic  corrections  to  Maxwell's  laws  can  be  indirectly  observed  in  theory  in  Ch.  5.We  then  provide  a  summary  and  outlook  of  all  conclusions  from  this  thesis  in  Ch.  6.
■590    ▼aSchool  code:  0090.
■650  4▼aCondensed  matter  physics
■650  4▼aTheoretical  physics
■650  4▼aApplied  physics
■650  4▼aElectromagnetics
■650  4▼aThermodynamics
■653    ▼aLinear  response
■653    ▼aNonlinear  response
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■653    ▼aWeyl  semimetal
■653    ▼aCharge-density  waves
■653    ▼aElectromagnetic  response
■653    ▼aSpatially  inhomogeneous
■690    ▼a0611
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■690    ▼a0607
■71020▼aUniversity  of  Illinois  at  Urbana-Champaign▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-05B.
■790    ▼a0090
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17361072▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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