Topological quantum chemistry description of interacting-electron systems

251 p.El descubrimiento de los aislantes topológicos a finales del siglo pasado y comienzos del actual marcó un antes y un después en la física del estado sólido. Desde entonces, la comunidad científica ha dedicado un intenso esfuerzo a entender la naturaleza de las fases topológicas y a la detección de estas en sistemas cristalinos, conocidos ampliamente como materiales topológicos. El gran interés atraído por esta familia de materiales se debe, en gran medida, a su aplicación potencial en el desarrollo de nuevas tecnologías en campos prometedores como la computación cuántica, la espintrónica o los superconductores.Como consecuencia del esfuerzo intensivo dedicado al estudio de los materiales topológicos durante las últimas décadas, se ha desarrollado un amplio conocimiento de la naturaleza de esta familia de materiales.En particular, el formalismo conocido como Química Cuántica Topológica (TQC, por sus siglas en inglés) proporciona una descripción matemática de las fases topológicas realizables en cualquier grupo de simetría cristalina. Sirve, además, como base para métodos sistemáticos de predicción y análisis de materiales topológicos. De hecho, la combinación entre simulaciones basadas en la Teoría del FuncionalDensidad (DFT, en inglés) y TQC ha dado lugar a la predicción teórica de un gran número de materiales topológicos, demostrando que los aislantes topológicos son más comunes de lo que se pensaba.A pesar del rápido avance de este moderno campo de estudio, el conocimiento sobre materiales topológicos adquirido durante las últimas décadas se basa, principalmente, en la aproximación de electrones independientes. De hecho, el formalismo TQC y otros métodos de análisis de propiedades topológicas basados en el cálculo de fases de Berry o invariantes topológicos, parten de la hipótesis de que la interacción Coulomb entre electrones es débil. Sirve como reflejo de esta limitación el hecho de que el número de fases topológicas predichas teóricamente y/o observadas experimentalmente sea mucho menor en materiales donde los electrones interactúan fuertemente entre ellos.La similitud de este impás con el caso de electrones independientes descrito anteriormente nos motiva a pensar que una posible solución pasa por el desarrollo de un método análogo a TQC para el caso de materiales de interacción electrónica fuerte. Este es uno de los objetivos de la presente tesis doctoral:estudiar la aplicabilidad y extensión de TQC a materiales interactuantes

MoTe2 konposatuaren kristal-egitura eta egitura-elektronikoaren ab-initio kalkuluak

[EUS] Trantsizio metalekin osatutako dikalkogenoak (ingeleraz TMD) egoera solidoaren fisikaren ikergai izan dira azken hamarkadetan. Interesa bereziki haien erdieroale izaeran zentratu da (adibidez, MoS2 konposatua), honek ikuspuntu teknologikotik interesgarri egiten baititu, esate baterako, elektronikan izan ditzaketen aplikazioengatik. Dena den, azken denboraldian interesa piztu dutenak erdimetal izaeradun TMDak dira, besteak beste Weyl egoerak [4] eta presio bidez molda daitekeen supereroankortasuna [5] erakusten baitituzte. MoTe2 konposatua bereziki interesgarria da, izaera elektroniko desberdineko (erdimetal eta erdieroale) kristal-egituretan aurki daitekeen TMD material bakarra delako. Honek supereroankortasuna kristalaren egiturarekin eta banda egiturarekin erlazionatzen dituen zenbait ereduren baliogarritasuna konprobatzeko balio beharko luke. Gainera, presio bidez molda daitekeen supereroankortasuna duela frogatu da, propietate hau egitura monokliniko eta ortorronbiko arteko fase-trantsizioarekin erlazionatuta dagoela ondorioztatu delarik; hau dela eta, korronteen garraioan zentratutako zenbait tresna eraikitzeko interesgarria izan daiteke. Aldi berean, zenbait efektu topologikoren azterketa ahalbidetu dezake, hala nola Weyl-en egoeren analisia. Horretaz gain, MoTe2 konposatuarekin bi dimentsioko materialak sortu daitezkeenez, Hall efektua aztertzeko erabil daiteke. Lanak hainbat helburu ditu: lehenik, MoTe2-aren egitura ortorronbiko eta monoklinikoaren arteko fase-trantsizioa aztertu nahi dugu. Ondoren, kristalegitura hauetako bakoitzaren egitura-elektronikoa kalkulatu nahi dugu; azkenik, presioak eta spin-orbita akoplamenduak egonkortasun eta banda-egituretan duen eragina aztertu nahi dugu. Txostena 5 ataletan banaturik dago: lehenengo atalean, Dentsitate Funtzionalaren Teoria (DFT) aurkeztuko dugu, spinaren eta efektu erlatibisten inplementazioak ere iruzkinduko ditugularik; bigarrenean, spin-orbita akoplamenduak solidoen egitura elektronikoan izan dezakeen eragina azaltzen da. Bi atal hauek lana garatzeko ulertu behar diren kontzeptu teorikoak biltzen dituzte. Hirugarren eta laugarren ataletan, MoTe2-aren kristal-egituren eta banda-egituren ab-initio metodo bidezko analisia aurkezten da. Amaitzeko, bosgarren atalean, analisiaren ondorioak biltzen dira

Impact of silicon carbide devices in 2 MW DFIG based wind energy system

Renewable energies are going through a major increment, mainly wind and photovoltaic energies, being market competitiveness the main driver for their massive penetration. As power converters are used to interface renewable energy systems with the utility grid, their optimization is crucial. For their superior conduction and switching capabilities, silicon carbide (SiC) semiconductors are considered for their use in the optimization of power electronics in doubly fed induction generator (DFIG) based wind energy systems (WES). Potential efficiency gain and volume reduction due to the use of SiC semiconductors are studied by simulation, explaining the models in detail. Commercial products are evaluated to calculate cooling systems (CS) and output filters volumes. The performance and volume of SiC converter is analyzed and compared to its Si counterpart, at different wind speeds and switching frequencies. A design for maximum efficiency and minimum CS volume, and another for minimum output filters volume without efficiency penalty are achieved. A switching frequency optimization is performed to obtain the minimum combined volume between the CS and output filter, still improving the Si converters efficiency at nominal wind speed conditions. The conclusion is that SiC semiconductors can improve the power converters efficiency and overall size in DFIG WES

System Level Optimization of 5 MW Wind Converter using 3L-NPC Topology in Medium Voltage with 1 . 7 kV IGBT

Market competitiveness is the main driver in the massive adoption of wind energy, and the optimization of the power converter is crucial for this purpose. Because it has higher efficiency than the two level Voltage Source Converter (2L-VSC), the three level Neutral Point Clamped (3L-NPC) topology is considered for the converter optimization. Due to reduced voltage stress in 3L-NPC, the system voltage can be increased up to Medium Voltage while keeping the same 1.7 kV semiconductors used for 2L-VSC. Potential extra efficiency due to the increased voltage, cooling system and filter volume reduction are studied by simulation. Commercial cooling systems and capacitors are analyzed to calculate volumes, while analytical expressions are used for the inductors. A system level optimization is proposed achieving filter and combined volume reduction, as well as efficiency increment. The benefits of using three level converters to increase the application voltage, without increasing the semiconductors voltage range are shown at system level

Influence of magnetism, strain and pressure on the band topology of EuCd2_2As2_2

Motivated by the wealth of proposals and realizations of nontrivial topological phases in EuCd$_2$As$_2$, such as a Weyl semimetallic state and the recently discussed semimetallic versus semiconductor behavior in this system, we analyze in this work the role of the delicate interplay of Eu magnetism, strain and pressure on the realization of such phases. For that we invoke a combination of a group theoretical analysis with ab initio density functional theory calculations and uncover a rich phase diagram with various non-trivial topological phases beyond a Weyl semimetallic state, such as axion and topological crystalline insulating phases, and discuss their realization

Factor Graph Based Detection Schemes for Mobile Terrestrial DVB Systems with Long OFDM Blocks

This PhD dissertation analyzes the performance of second generation digital video broadcasting (DVB) systems in mobile terrestrial environments and proposes an iterative detection algorithm based on factor graphs (FG) to reduce the distortion caused by the time variation of the channel, providing error-free communication in very severe mobile conditions. The research work focuses on mobile scenarios where the intercarrier interference (ICI) is very high: high vehicular speeds when long orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) blocks are used. As a starting point, we provide the theoretical background on the main topics behind the transmission and reception of terrestrial digital television signals in mobile environments, along with a general overview of the main signal processing techniques included in last generation terrestrial DVB systems. The proposed FG-based detector design is then assessed over a simpli ed bit-interleaved coded modulation (BICM)-OFDM communication scheme for a wide variety of mobile environments. Extensive simulation results show the e ectiveness of the proposed belief propagation (BP) algorithm over the channels of interest in this research work. Moreover, assuming that low density parity-check (LDPC) codes are decoded by means of FG-based algorithms, a high-order FG is de ned in order to accomplish joint signal detection and decoding into the same FG framework, o ering a fully parallel structure very suitable when long OFDM blocks are employed. Finally, the proposed algorithms are analyzed over the physical layer of DVB-T2 speci cation. Two reception schemes are proposed which exploit the frequency and time-diversity inherent in time-varying channels with the aim of achieving a reasonable trade-o among performance, complexity and latency.Doktoretza tesi honek bigarren belaunaldiko telebista digitalaren eraginkortasuna aztertzen du eskenatoki mugikorrean, eta faktoreen grafoetan oinarritzen den hartzaile iteratibo bat proposatzen du denboran aldakorra den kanalak sortzen duen distortsioa leundu eta seinalea errorerik gabe hartzea ahalbidetzen duena. Proposatutako detektorea BICM-OFDM komunikazio eskema orokor baten gainean ebaluatu da lurreko broadcasting kanalaren baldintzak kontutan hartuz. Simulazio emaitzek algoritmo honen eraginkortasuna frogatzen dute Doppler frekuentzia handietan. Ikerketa lanaren bigarren zatian, faktoreen grafoetan oinarritutako detektorea eskema turbo zabalago baten baitan txertatu da LDPC dekodi katzaile batekin batera. Hartzaile diseinu honen abantaila nagusia da OFDM simbolo luzeetara ondo egokitzen dela. Azkenik, proposatutako algoritmoa DVB-T2 katearen baitan inplementatu da, bi hartzaile eskema proposatu direlarik seinaleak duen dibertsitate tenporal eta frekuentziala probesteko, beti ere eraginkortasunaren, konplexutasunaren eta latentziaren arteko konpromisoa mantenduz.Este trabajo de tesis analiza el rendimiento de la segunda generación de la televisión digital terreste en escenarios móviles y propone un algoritmo iterativo basado en grafos de factores para la detección de la señal y la reducción de la distorsión causada por la variación temporal del canal, permitiendo así recibir la señal libre de errores. El detector basado en grafos de factores propuesto es evaluado sobre un esquema de comunicaciones general BICM-OFDM en condiciones de transmisión propios de canales de difusión terrestres. Los resultados de simulación presentados muestran la e ciencia del algoritmo de detección propuesto en presencia de frecuencias Doppler muy altas. En una segunda parte del trabajo de investigación, el detector propuesto es incorporado a un esquema turbo junto con un decodi cador LDPC, dando lugar a un receptor iterativo que presenta características especialmente apropiadas para su implementación en sistemas OFDM con longitudes de símbolo elevadas. Por último, se analiza la implementación del algoritmo propuesto sobre la cadena de recepción de DVB-T2. Se presentan dos esquemas de recepción que explotan la diversidad temporal y frecuencial presentes en la señal afectada por canales variantes en el tiempo, consiguiendo un compromiso razonable entre rendimiento, complejidad y latencia

Doping of graphene nanoribbons via functional group edge modification

We report the on-surface synthesis of 7-armchair graphene nanoribbons (7-AGNRs) substituted with nitrile (CN) functional groups. The CN groups are attached to the GNR backbone by modifying the 7-AGNR precursor. Whereas many of these groups survive the on-surface synthesis, the reaction process causes the cleavage of some CN from the ribbon backbone and the on-surface cycloisomerization of few nitriles onto pyridine rings. Scanning tunneling spectroscopy and density functional theory reveal that CN groups behave as very efficient n-dopants, significantly downshifting the bands of the ribbon and introducing deep impurity levels associated with the nitrogen electron lone pairs.This work was supported by FP7 FET-ICT “Planar Atomic and Molecular Scale devices” (PAMS) project (funded by the European Commission under Contract No. 610446), by the Agencia Estatal de Investigacion (Cooperative Grant No. MAT2016-78293 and Grant FIS2015-62538-ERC), the Basque Government (Dep. de Educacion and UPV/EHU, Grant No. IT-756-13, and Dep. Industry, Grant PI_2015_1_42), the Xunta de Galicia (Centro singular de investigacion de Galicia accreditation 2016−2019, ED431G/09), and the European Regional Development Fund (ERDF).Peer Reviewe