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Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mecânica Quântica e Nanotecnologia.

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Apresentação em tema: "Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mecânica Quântica e Nanotecnologia."— Transcrição da apresentação:

1 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mecânica Quântica e Nanotecnologia

2 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Resumo MECÂNICA QUÂNTICA Luz Matéria Relações de Incerteza Efeito Túnel Spin do Electrão NANOTECNOLOGIA Introdução Nanoescala Nanociência Nanotecnolgia APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS Discos de Gravação Magnética Sensores Magnetoresistivos Cabeças de Leitura Válvulas de spin Junções de Efeito Túnel BioSensores

3 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Efeito Túnel Física Clássica Física Quântica

4 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Efeito Túnel Partícula Barreira Partícula não consegue atravessar a barreira Onda pode ser reflectida na parede…ou parte transmitida através da barreira Física Clássica Física Quântica

5 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mecânica Quântica ondulatória Efeito túnel é de natureza ondulatória onda Quando um electrão (onda) embate na barreira, a onda não acaba abruptamente Diminui rapidamente (modo exponencial) A onda não passa Parte da onda atravessa a barreira; podem aparecer electrões do outro lado Efeito Túnel Dualidade ONDA-PARTÍCULA dos electrões Barreira larga Barreira fina (~nm) Existe uma PROBABILIDADE de o electrão atravessar a barreira de potencial

6 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Carga em movimento Spin do Electrão Electrões tem um movimento de rotação em torno do seu eixo Spin do electrão É apenas um conceito quântico sem analogia clássica! Corrente no sentido do movimento Origina um campo magnético (dipolo)

7 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Magnetização N e-e-e-e- S

8 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia INTRODUÇÃO À NANOTECNOLOGIA

9 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia O Futuro em 1959… No dia 29 de Dezembro de 1959 Richard P. Feynman Theres Plenty of Room at the Bottom The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom. It is not an attempt to violate any laws; it is something, in principle, that can be done. Why cannot we write the entire volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin? "At the atomic level, we have new kinds of forces and new kinds of possibilities, new kinds of effects. The problems of manufacture and reproduction of materials will be quite different. Em 1989, Don Eigler escreveu logótipo da empresa com 35 átomos de xénon Manipulou átomo a átomo como previsto por Feynman !

10 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia O que é NANO… Nano Deriva do grego, significa anão 1 nm = m Objectos à nanoescala têm, pelo menos, uma dimensão de tamanho nanométrico Quão pequena é esta nanoescala ?

11 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanoescala Video

12 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanociência Dimensões físicas são críticas Abaixo dos 100 nm de tamanho os nano-objectos podem exibir comportamentos exóticos Propriedades físicas e químicas diferentes das macroscópicas Dependentes do tamanho Confere-lhes grande potencial para aplicações

13 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanociência Silver and Gold particles have different colors depending on size and shape. © Northwestern University

14 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanociência O alcance das interacções entre eles pode exceder a sua dimensão Escala nanométricaNão se aplicam as leis Clássicas da Física Domínio da Mecânica Quântica Originando novos fenómenos físicos Filmes Finos Dão origem novas e surpreendentes aplicações tecnológicas Para além das propriedades dos próprios nano-objectos serem alteradas:

15 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanotecnologia Física Química Biologia Engenharia Medicina

16 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanotecnologia Multidisciplinar Nanocompositos Nanocristais Nanopartículas Materiais Nanoestruturados Nanotubos Nanocápsulas Nanoengrenagens Materiais Nanoporosos

17 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS

18 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Discos de Gravação Magnética

19 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Cabeça de leitura e gravação magnetica Sensor activo de leitura e gravação Discos de Gravação Magnética

20 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Cabeças de Leitura Sensores MAGNETORESISTIVOS Variação da resistência eléctrica com o campo magnético externo Spin Dispositivos Magnetoresistivos: Válvulas de Spin e Junções de Efeito Túnel Comportamento surge das propriedades quânticas dos electrões

21 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Válvulas de Spin - O que são! Empilhamento de camadas de material muito finas (ordem de dezenas nanómetros) Camada Magnética Fixa (2 nm) Camada de Fixação (7 nm) Espaçador Não Magnético (2 nm) Camada de Adaptação (2 nm) Camada Magnética Livre (5 nm) Camada de protecção (2 nm) Substrato e-e-e-e- ? Corrente no plano dos filmes finos!

22 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Válvulas de Spin – como funcionam! Camada Magnética Fixa Espaçador Condutor Não Magnético Camada Magnética Livre Campo Magnético Externo Campo Magnético Resistência FIXA SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS 1 E 0 Contacto Eléctrico Movimento dos electrões Contacto Eléctrico Geometria CIP

23 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia FIXA LIVRE r, r R, R e canais de condução em paralelo Electrões com spin Válvulas de Spin – como funcionam!

24 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia FIXA LIVRE FIXA LIVRE r, R R, r e canais de condução em paralelo R paralelo < R anti-paralelo Efeito Magnetoresitência Gigante ~10% Causada por uma dispersão dos electrões dependente do spin Mesmo estruturas macroscópicas exibem magnetoresistência Efeito Gigante surge apenas em nanoestruturas Válvulas de Spin – como funcionam!

25 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Leitura Magnética com Válvulas de Spin Leitura de Bits magnéticos com uma válvula de spin Bits Magnéticos Gravados Longitudinalmente FIXA LIVRE

26 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Leitura Magnética com Válvulas de Spin FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE Não sente campo Sinal Tempo

27 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Problemas… Bits magnéticos cada vez mais pequenos! sensibilidade Necessária uma maior sensibilidade na leitura Junções de Efeito Túnel

28 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel - o que são! Empilhamento de camadas de material muito finas (ordem de dezenas nanómetros) Camada Magnética Fixa (2 nm) Camada de Fixação (7 nm) Camada Isoladora (~ 1 nm) Camada de Adaptação (2nm) Camada Magnética Livre (5nm) Camada de protecção (2 nm) Substrato Semelhantes às válvulas de spin mas com uma camada isoladora no lugar do espaçador condutor! Isolador Eléctrodo de Cima Eléctrodo de Baixo

29 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel vs Válvulas de Spin CAMADA FIXA CAMADA LIVRE ELECTRODO ESPAÇADOR CONDUTOR Corrente Corrente no plano do sensor: geometria CIP Corrente perpendicular ao plano do sensor: geometria CPP CAMADA FIXA CAMADA LIVRE ELECTRODO ISOLADOR Corrente

30 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel – como funcionam! CAMADA FIXA CAMADA LIVRE Corrente ELECTRODO ISOLADOR Camada isoladora muito fina Electrões (onda-partícula) podem atravessá-la Magnetoresistência por Efeito Túnel A barreira é atravessada por electrões com determinado spin

31 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel – como funcionam! Como nas Válvulas de Spin, efeito dependente do spin do electrão Campo Magnético SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS 1 E 0 Resistência Camada Livre Camada Fixa No entanto… TMR ~ %~20 vezes superior às Válvulas de Spin Maior SENSIBILIDADE adequada a bits cada vez mais pequenos, ou seja sinais mais fracos!

32 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mais Longe… Bits mais pequenos Maior densidade de gravação de dados Em cada vez menor espaço Perdem a capacidade de manter a orientação da magnetização SUPERPARAMAGNÉTICO Limite SUPERPARAMAGNÉTICO Próximo do limite de gravação longitudinal Para bits muito pequenos (~10 nm) Energia necessária para alterar a direcção do momento magnético é da mesma ordem da energia térmica à temperatura ambiente Ou seja, perdem a informação armazenada

33 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mais Longe… Solução ? Gravação perpendicular! Bits mais próximos (mais profundos!) logo maior capacidade de armazenar dados SUPERPARAMAGNÉTICO Limite SUPERPARAMAGNÉTICO

34 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Outras Aplicações - BioSensores MR Válvula de Spin CAMADA FIXA CAMADA LIVRE ELECTRODO ESPAÇADOR Marcador magnético Marcador Magnético Molécula a detectar Funcionalização do sensor Como ligar a molécula ao sensor ? Através de biomoléculas complementares Chave-fechadura Funcionalização Superfície de Sensor Funcionalizado Molécula a detectar

35 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Outras Aplicações - BioSensores MR CAMADA FIXA CAMADA LIVRE ELECTRODO ESPAÇADOR Campo criado pelos marcadores magnéticos Altera a magnetização da camada livre Alteração do estado da Válvula de Spin A resistência do sensor varia quando as moléculas com nanopartículas magnéticas ficam aprisionadas

36 Escola de Física3-5 Setembro 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Obrigada Video 12um


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