Nanoestruturas de grafeno e o problema do confinamento de partículas de Dirac na descrição do contínuo

In this work, we investigate in parallel physical and mathematical aspects inherent to the problem of confinement of massless Dirac fermions in graphene nanostructures. In a low energy approach, we propose models to describe confining systems in graphene and study how the choice of boundary conditions of the problem - or, equivalently, of domains of the Dirac operator - affects the physical properties of such systems. In this scenario, we concentrate essentially on the study of the physical behavior of graphene nanorings and nanoribbons in response to aspects such as topology, edge and interface geometry and interactions with external fields. At the same time, a rigorous investigation concerning formal aspects of the problem and the way that they manifest themselves physically is also performed. In light of the theory of linear operators on Hilbert spaces, we analyze the role played by the notion of self-adjointness in the problem and establish sets of boundary conditions physically acceptable in graphene, which mathematically corresponds to the definition of self-adjoint extensions of the Dirac Hamiltonian from the continuum description. Sets proposed in the treatment of some studied configurations are approached in this context. In addition, we present a particular study in which we examine the influence of topological defects on the physics of massive fermions in graphene in the presence of Coulomb and uniform magnetic fields.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESNeste trabalho, investigamos paralelamente os aspectos físicos e matemáticos inerentes ao problema do confinamento de férmions de Dirac sem massa em nanoestruturas de grafeno. Em uma abordagem no limite de baixas energias, propomos modelos para descrever sistemas confinantes no âmbito da física do grafeno e estudamos de que modo a escolha das condições de contorno do problema - ou, equivalentemente, dos domínios do operador de Dirac - exercem influência sobre as propriedades físicas de tais sistemas. Neste cenário, concentramo-nos essencialmente no estudo do comportamento físico de nanoanéis e nanofitas de grafeno em resposta a aspectos como topologia, geometria de borda e interface e interações com campos externos. Ao mesmo tempo, também é realizada uma rigorosa investigação acerca dos aspectos formais do problema e do modo como eles se refletem fisicamente. À luz da teoria dos operadores lineares em espaços de Hilbert, analisamos o papel desempenhado pela noção de self-adjointness na modelagem do problema e estabelecemos conjuntos de condições de contorno fisicamente aceitáveis relativamente ao grafeno, o que corresponde matematicamente à definição de extensões auto-adjuntas do Hamiltoniano de Dirac da descrição do contínuo. Conjuntos propostos no tratamento de algumas das configurações estudadas são abordados neste contexto. Além disso, apresentamos um estudo à parte em que examinamos a influência de defeitos topológicos na física de férmions com massa no grafeno na presença de interações de Coulomb e de campos magnéticos uniformes