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1 Tatiana G. Rappoport Tatiana G. Rappoport Spintrônica Uma palestra introdutória.

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1 1 Tatiana G. Rappoport Tatiana G. Rappoport Spintrônica Uma palestra introdutória

2 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 2 Linhas gerais A eletrônica O spin Spintrônica em metais magnéticos Spintrônica em semicondutores Spintrônica e computação quântica

3 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 3 Eletrônica Da Wikipedia (inglês): A eletrônica trata do estudo e uso de dispositivos elétricos que são operados pelo controle do fluxo de elétrons ou outras partículas eletricamente carregadas.elétricoselétronseletricamente carregadas

4 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 4 Fluxo de elétrons Elétrons tem carga elétrica negativa.carga elétrica Quando eles se movem (livres do núcleo dos átomos) e existe um fluxo resultante, este fluxo se chama corrente elétrica.corrente elétrica Alguns dispositivos para controle do fluxo: –Resistores –Capacitores –Diodos –Transistores Papel fundamental dos dispositivos baseados em semicondutores, como transistores e diodos. (seminários de Belita e Maurício)

5 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 5 Novidades na eletrônica O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005) –Velocidades de v ~10 6 m/s –Massa efetiva m ef 0 Carbono x Silício? AFM

6 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 6 Elétrons e o campo magnético Sob efeito de um campo magnético: TVs, impressoras deskjet,aceleradores de partículas etc. Mas… N S = N S B Um momento magnético se alinha com um campo B

7 Top. Física Contemporânea Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético: Se… Experimento de Stern-Gerlach(1922) Bola carregada em rotação? 5s 1

8 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 8 Spin Spin: Momento angular intrínseco S Propriedade do elétron, como massa e carga Momento magnético associado a S –Elétron se comporta como um pequeno imã Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana + exclusão de Pauli (seminário Thereza e Érica)

9 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 9 Spintrônica Utiliza spin e carga dos elétrons (ou partículas similares) electrônica com spins Os principais objetivos da spintrônica são –O controle elétrico de propriedades magnéticas –Controle magnético de propriedades elétricas Existem muitas aplicações para isso!

10 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 10 Spintrônica II Armazenamento, processamento e manipulação de informação clássica: –Manipulação com magnetização Armazenamento, processamento e manipulação de informação quântica: –Manipulação individual de spins –Computadores quânticos?

11 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 11 Mas já chegamos lá… Leitura de dados no disco rígido

12 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 12 Magnetorestência Gigante (GMR) Resistência resultante GRANDE r r R FM Condutor -NM Eletrodo Negativo Eletrodo Positivo ee R Resistência resultante PEQUENA r R R r FM Condutor -NM Eletrodo Negativo Eletrodo Positivo ee

13 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 13 Válvulas de spin e a leitura Spintrônica em metais magnéticos!

14 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 14 Novidades em metais magnéticos v M1M1 M2M2 O Spin do elétron de condução sofre uma rotação pela interação com a magnetização. Por conservação de momento angular, o spin exerce um torque na magnetização. Forma de gravação de memória magnética! Efeito similar em paredes de domínios (Seminário da Elis) Spin-torque:

15 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 15 Spintrônica com semicondutores Porque? Quase tudo que fazemos em eletrônica utiliza semicondutores (transistores, diodos, chips etc.) –Integrabilidade Se pudermos fazê-los trabalhar com spins, eles terão múltiplas funções –Materiais multifuncionais A indústria de semicondutores e sua grande capacidade –Baixos custos

16 16 Três requerimentos para a spintrônica

17 17 Injeção de spin

18 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 18 Injeção eficiente de spins Não magnético Magnético

19 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 19 Injeção de spins Forma de medir a eficiência: Polarização de Spin

20 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 20 Possibilidades Injeção desde metais ferromagnéticos –Problemas com a interface. Novos semicondutores magnéticos (DMS) –Não há problema de interface (eles também são semicondutores) –Atualmente não são ferromagnéticos a temperatura ambiente Injeção ótica, etc.

21 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 21 Semicondutores magnéticos (DMS) Mais famoso (1997): Ga 1-x Mn x As Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn)

22 22 Como?

23 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 23 Epitaxia por feixe molecular (MBE)

24 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 24 Qual o mecanismo do magnetismo? Interação indireta mediada por cargas

25 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 25 Outras propriedades dos DMS Manipulação elétrica do magnetismo Apresenta spin-torque Válvula de spin (?) Tem propriedades óticas

26 26 Relaxação de spin

27 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 27 Relaxação lenta dos spins t r ~1ns d r ~1 m P

28 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 28 Semicondutores: um sucesso Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)

29 29 Detecção do spin

30 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 30 Detecção confiável de spin P=1! P=0!

31 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 31 Algumas técnicas de detecção Transporte eletrônico –Efeito Hall anômalo –Efeito túnel (seminário da Belita) dependente do spin Medidas óticas –Dicroísmo circular –Rotação Faraday –Fotoluminescência

32 32 Computação quântica Usando spins

33 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 33 Partícula clássica Partícula Quântica Partículas quânticas

34 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 34 Bits quânticos Wikipedia: bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação. informaçãocomputação 01 Bits clássicos: 13= x Bits quânticos:

35 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 35 Estados do spin como qubits +

36 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 36 Caixa de um único elétron Loss & DiVicenzo, PRA 57, 120 (1998) Injeção, manipulação e detecção de um único spin Processos de relaxação Realizações experimentais parciais (Delft, Harvard) Outras possibilidades de experimento

37 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 37 Spintrônica com semicondutores Nature Physics 3, (2007) Avanços ? ?

38 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 38 Grupo de pesquisa Raimundo R. dos Santos Thereza Paiva Paulo Farinas Tatiana Rappoport Spintrônica, supercondutividade, magnetismo etc. Alunos são bem vindos!

39 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 39 Semicondutores Em muitos materiais, os elétrons estão presos aos átomos. Como eles não podem se mover, não conduzem eletricidade. São os isolantes elétricos. Metais são bons condutores porque seus elétrons livres se movem facilmente entre os átomos. Um semicondutor é quase um isolante. Podemos transformar um semicondutor em um condutor ao doparmos ele. Apresentações de Maurício e Belita

40 Top. Física Contemporânea T. G. Rappoport 40 Nano X spintrônica Se queremos ser nano, precisamos de materiais multifuncionais –Mais eficiência, menos dissipação Alguns dispositivos nanoscópicos permitem a manipulação individual de cargas e spins. –Controle do processo de relaxação –Esse controle é necessário para a computação quântica


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