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We investigate the formation of charge and spin ordering by starting from a non-interacting state and studying how it evolves in time under a Hamiltonian with finite electronic interactions. We consider the one-dimensional, half-filled extended Hubbard model, which we solve within time-dependent density matrix renormalization group. By employing linear finite-time quenches in the onsite and nearest-neighbor interactions, we find the existence of impulse, intermediate, and adiabatic regimes of time evolution. For the quenches we analyze, we observe that the adiabatic regime is reached with distinct ramping time scales depending on whether the charge density wave (CDW) or the spin density wave (SDW) is formed. The former needs to be slower than the latter to prevent entangled excited states from being accessed during the quench. More interestingly, in the intermediate regime, we observe an enhancement of the entanglement entropy with respect to its initial value, which precedes the formation of the CDW ordering; a similar enhancement is not seen in the quench towards SDW. Our findings also show that the breaking of the system integrability, by turning on the nearest-neighbor interactions, does not give rise to significant changes in the non-equilibrium behavior within the adiabatic approximation.

Neste trabalho empregamos diferentes métodos de estrutura eletrônica para o estudo de propriedades emergentes em materiais, em específico, para se investigar o magnetismo d0 em materiais de carbono e transições metal-isolante em óxidos de metais de transição. Na primeira parte da tese estudamos (i) a estabilidade energética relativa, propriedades magnéticas e eletrônicas de nitretos de carbono com estrutura hexagonal; em seguida investigamos (ii) as propriedades estruturais, energéticas, eletrônicas e magnéticas de cristais de politetrauoretileno (Teon) com vacâncias de fluor e impurezas de oxigênio. Na segunda parte investigamos (iii) as transições metal-isolante nos dióxidos de vanádio e nióbio, concentrando-se nos mecanismos físicos responsáveis pela formação do gap de energia nas fases de baixa temperatura. Em (i) obtivemos um conjunto de estruturas de nitreto de carbono de baixa energia de estrutura hexagonal com diferentes concentrações de nitrogênio. Nesse contexto, identificamos que a estabilidade relativa dessas estruturas está associada ao ganho de energia devido à dopagem eletrônica induzida pelas impurezas de nitrogênio. Adicionalmente, propomos novas estruturas semicondutoras e ferromagnéticas de nitreto de carbono. Em (ii) encontramos que vacâncias de fluor e impurezas de oxigênio no bulk de Teon dão origem a estruturas sem a quebra da cadeia polimérica. Nesse contexto, obtivemos que impurezas de oxigênio dão origem a configuração mais estáveis energeticamente do que as com vacâncias de fluor. Adicionalmente, encontramos que a formação de estruturas policonjugadas nas cadeias poliméricas é mais estável do que a presença das mesmas isoladas nas cadeias. Encontramos também que vacâncias de fluor e impurezas de oxigênio podem dar origem a momentos magnéticos locais. Porém, não foi observado nenhum tipo de ordenamento ferromagnético devido ao acoplamento entre os mesmos. Esses resultados, por sua vez, sugerem que as configurações investigadas em nosso trabalho não podem dar origem ao ferromagnetismo observado em _tas de Teon com defeitos estruturais. Porém, em (iii) propusemos um novo mecanismo para a abertura do gap nas fases de baixa temperatura do VO2 e NbO2. Identificamos que a física de Mott é essencial para a descrição de todas as fases do VO2 devido ao fato de que os elétrons nesse material estão próximos a uma transição de Mott. Em relação _as fases M1 e M2 do VO2, observamos que a instabilidade de Mott-Hubbard é \aprisionada" devido a dimerização dos átomos ou surgimento de um ordenamento antiferromagnético. Encontramos também que as correlações eletrônicas não locais favorecem a abertura do gap nas fases de baixa temperatura. Instabilidades de Hubbard só foram encontradas para os átomos de vanádio não dimerizados da fase M2 paramagnética. Em relação ao NbO2, encontramos que as correlações eletrônicas não locais são menos importantes do que no VO2, embora as mesmas desempenham um papel relevante na abertura do gap de sua fase de baixa temperatura. In this thesis we employed electronic structure methods to investigate emergent properties of dierent materials, namely d0 magnetism in carbon based materials and metal insulator transitions in transition-metal oxides. In the rst part, we investigated (i) the morphology, relative energetic stability, electronic, and magnetic properties of graphenelike carbon nitride structures and (ii) the structural, energetics, electronic, and magnetic properties of polytetrauoroethylene (Teon) crystals with uorine vacancies and oxygen impurities. In the second part we studied (iii) the metal-insulator transition in vanadium and niobium dioxides, with focus on the physical mechanism responsible for the gap formation in their low-temperature phases.In (i) we obtained a set of low-energy graphene-like structures with distinct nitrogen concentrations. In particular, we identied that their relative stability is associated with the energy cost due to the charge doping induced by the nitrogen impurities. In addition, new semiconducting and ferromagnetic carbon nitride structures were proposed. In (ii) we obtained that both uorine vacancies and oxygen impurities in bulk Teon lead to structural congurations without the breaking of the carbon backbone. Oxygen impurities were found to be energetically more stable than uorine vacancies. In addition, the formation of polyconjugated structures in the polymer chain was foundto be energetically favorable. The local magnetic moments associated with the point defects do not give rise to any ferromagnetic ordering, which rules out the investigated congurations as the origin of ferromagnetism in defective Teon tapes. Finally, in (iii) we proposed a new mechanism for the gap opening in the lowtemperature phases of VO2 and NbO2. We identied that Mott physics is central for theproper description of all phases of VO2 since its electrons are in the near vicinity of the Mott transition. In the M1 phase and in the antiferromagnetically ordered M2 phase, we found that the Mott-Hubbard instability is arrested due to V-atoms dimerization and antiferromagnetic ordering, respectively. In especial, we obtained that nonlocal electronic correlations support the gap opening in the low-temperature phases. Hubbard instabilities were found only in the case of undimerized V-atoms of the paramagnetic M2 phase. In respect to NbO2, we found that electronic correlations are less important, though they do play a role in the gap opening of its low-temperature phase.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior INCT – Instituto nacional de ciência e tecnologia (Antigo Instituto do Milênio) Materiais de baixa dimensionalidade, como o grafeno, são altamente suscetíveis ao substrato (interface) onde estão apoiados. Neste trabalho, realizamos o estudo de amostras de bicamadas de grafeno epitaxial sobre carbeto de silício (SiC) oxidado. As bicamadas de grafeno são obtidas intercalando O entre a monocamada de grafeno epitaxial e o SiC. A intercalação por O desacopla o grafeno epitaxial do substrato, através da conversão da buffer layer em uma camada de grafeno, e simultaneamente oxida a superfície do SiC. Após a intercalação, o strain, característico do grafeno epitaxial, não é mais observado e uma bicamada de grafeno Bernal (AB) de alta qualidade é formada. Entretanto, a interface oxidada degrada a mobilidade eletrônica da bicamada de grafeno. Neste trabalho várias técnicas foram empregadas para entender melhor como é a estrutura formada pela intercalação por O e a origem da baixa mobilidade observada neste tipo de amostra. Os resultados apontam que na interface existe uma camada rica em SiO2 e entre ela e o SiC está presente uma camada de transição formada por oxicarbetos de silício (SiOxCy). Medidas de espectroscopia de varredura por tunelamento (STS) revelaram que através de toda a amostra existe uma intensa densidade de estados próximo ao nível de Fermi, que é responsável por suprimir a mobilidade dos portadores de carga. De acordo com cálculos teóricos, esses estados estão relacionados às formações SiOxCy, presentes na interface. Em uma segunda etapa, propomos uma maneira relativamente simples e de baixo custo para a produção de heteroestruturas entre isolantes topológicos e amostras de grafeno. Nesta analisamos a eficiência do crescimento de nano-estruturas de isolantes topológicos de Bi2Se3 sobre substratos de óxido de silício (SiO2/Si) e grafite pirolítico altamente ordenado (HOPG). Os resultados preliminares mostram a formação de nano-estruturas triangulares reprodutíveis em ambos substratos. O estudo das nano-estruturas através de STS revelou que essas apresentam uma baixa dopagem de portadores de carga, o que está relacionado ao baixo índice de vacâncias de Se, que indica uma alta qualidade das nano-estruturas. Low dimensional materials, such as graphene, are highly susceptible to the substrate (interface) where they are supported. In this work, we investigate the properties of epitaxial graphene bilayers on oxidized silicon carbide (SiC). Graphene bilayers are obtained by O-intercalation between the epitaxial monolayer graphene and SiC. O-intercalation decouples the epitaxial graphene from the substrate by converting the buffer layer into a graphene layer and, simultaneously, oxidizes the SiC surface. After intercalation, the strain of epitaxial graphene is released and a high-quality AB-stacking bilayer graphene is formed. However, the oxidized interface degrades the electronic mobility of the bilayer graphene. In this work, several techniques were used to better understand the structure formed by O-intercalation and the origin of the low mobility observed in this type of material. The results show that at the interface there is a SiO2 rich layer and between it and SiC there is a transition layer formed by silicon oxycarbides (SiOxCy). Tunneling scanning spectroscopy (STS) measurements revealed that over the entire sample there is an intense density of states just around the Fermi level, which is responsible for suppressing the mobility of the charge carriers. According to theoretical calculations, these states are related to the formations of SiOxCy, present in the interface. Additionally, we propose a relatively simple and low-cost way for the production of heterostructures between topological insulators and graphene samples. We analyze the growth efficiency of Bi2Se3 topological insulators nanostructures on substrates of silicon oxide (SiO2/Si) and highly ordered pyrolytic graphite (HOPG). Preliminary results show the formation of reproducible triangular nanostructures on either substrate. The study of nanostructures through STS revealed that they present a low doping of charge carriers, which is related to the low density of Se vacancy, thus confirming the high quality of the structures.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico Research in optical communication through atmospheric links faces many challenges in seeking for a reliable implementation. Coherent classical light, such as a laser beam propagating through the atmosphere, suffers a significant impact on signal quality due to atmospheric turbulence. Although there are several communication techniques to mitigate signal fading in classical light, any of these techniques do not eliminate the aberrations that come from several sources. Thus, it is worth to develop new techniques to soften even more the turbulence-induced perturbations. In this work, we study an experimental setup to mitigate turbulence-induced signal fluctuations, i.e., signal fading, on entangled photon beams, which leads us to a more stable communication. Twin-photons quantum states, spontaneously produced by parametric-down conversion, were used to demonstrate experimentally that an inversion of transverse coordinates of the correlation beam is sufficient to partially eliminate the aberrations caused by turbulent airflow. Furthermore, we show that not only a coordinate inversion does mitigate turbulence effects, but it completely eliminates the wavefront tilt aberration. Our evaluation reveals that optical communication through atmospheric links could benefit from using quantum states of light. A pesquisa em comunicação óptica por meio de links atmosféricos enfrenta uma série de desafios na busca por uma implementação confiável. A luz clássica coerente, como um feixe de laser propagando-se pela atmosfera por exemplo, sofre um impacto significativo na qualidade do sinal devido à turbulência atmosférica. Embora existam várias técnicas de comunicação para mitigar o desvanecimento do sinal na luz clássica, qualquer uma dessas técnicas não elimina completamente os efeitos indesejados. Assim, vale a pena desenvolver novas maneiras para suavizar ainda mais as perturbações induzidas pela turbulência. Neste trabalho, estudamos um arranjo experimental para mitigar as flutuações de sinal induzidas pela turbulência, ou seja, o desvanecimento do sinal, em feixes de fótons emaranhados, o que nos leva a uma comunicação mais estável. Estados quânticos de fótons gêmeos, espontaneamente produzidos por conversão paramétrica, foram usados para demonstrar experimentalmente que uma inversão das coordenadas transversais do feixe de correlação é suficiente para eliminar parcialmente as perdas de sinal causadas pelo fluxo turbulento de ar. Além disso, mostramos que não apenas uma inversão de coordenadas mitiga os efeitos de turbulência, mas também elimina completamente a aberração da inclinação da frente de onda. Nossa avaliação revela que a comunicação óptica através de canais atmosféricos pode se beneficiar do uso de estados quânticos para luz.

CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Entanglement is certainly one of the most fascinating phenomena observed in Nature, and even after decades of research in entanglement theory there is still much to be discovered and understood. In particular, there are still few results detailing and characterizing the entanglement structure in strongly correlated systems on a large scale, involving a large number of subsystems. The most typical approach for studying in detail the entanglement structure in quantum states has been through the optimization of Entanglement Witnesses, optimized by means of algorithmic techniques such as Semidefinite Programming applied to matrices. However, this matrix description renders the technique computationally nonviable for large scale systems due to the exponential growth of the dimension of the optimization parameters. All these techniques are nonviable for a relatively small number of particles (on the order of n ~ 10^1). For these reasons, Tensor Networks have attracted the attention of researchers over the last decades for being more efficient ways to describe and simulate quantum systems composed of many parts, as they are more natural and efficient descriptions of the quantum correlations between subsystems. However, few progress has been made for the detailed characterization of entanglement in such systems, and the literature still hasn't fully bridged the gap between the two formalisms. In this work, we propose a small step towards the goal of adapting the formalism of entanglement witnesses in a way which is compatible with the description of quantum systems by means of tensor networks, making it possible the characterization of entanglement in large scale systems. Emaranhamento é certamente um dos fenômenos mais fascinantes observados na Natureza, e mesmo após de décadas de pesquisas na teoria de emaranhamento ainda há muito a ser descoberto e entendido. Em particular, ainda há poucos resultados detalhando e caracterizando a estrutura do emaranhamento em sistemas fortemente correlacionados em larga escala, envolvendo um número grande de subsistemas. A forma mais comum de se estudar detalhadamente a estrutura de emaranhamento em estados quânticos tem sido através da otimização de Testemunhas de Emaranhamento (Entanglement Witnesses), otimizadas utilizando-se técnicas algorítmicas como Programação Semidefinida (Semidefinite Programming) aplicada à matrizes. No entanto, esta descrição matricial torna a técnica computacionalmente inviável para sistemas em larga escala devido ao crescimento exponencial da dimensão do espaço de parâmetros a serem otimizados. Todas as técnicas se tornam inviáveis para um número relativamente pequeno de partículas (na ordem de n ~ 10^1). Por estes motivos, Redes Tensoriais (Tensor Networks) têm atraído a atenção de pesquisadores nas últimas décadas por serem formas eficientes de descrever e simular sistemas quânticos compostos de muitas partes, pois são descrições mais naturais e eficientes das correlações quânticas entre os subsistemas. No entanto, pouco tem sido feito para caracterização detalhada do emaranhamento em tais sistemas, e a literatura ainda carece de uma ponte entre os dois formalismos. Neste trabalho, propomos um primeiro pequeno passo rumo ao objetivo de adaptar o formalismo de testemunhas de emaranhamento de forma compatível com a descrição de sistemas quânticos através de redes tensoriais, tornando possível a caracterização de emaranhamento em sistemas de larga escala.