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

Efeito Túnel Física Clássica Física Quântica Posiçao Da onda determinda a custo do comprimento de onda ou numero de onda

Efeito Túnel Partícula não consegue atravessar a barreira Física Clássica Partícula não consegue atravessar a barreira Posiçao Da onda determinda a custo do comprimento de onda ou numero de onda Física Quântica Onda pode ser reflectida na parede…ou parte transmitida através da barreira

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

Spin do Electrão Electrões tem um movimento de rotação em torno do seu eixo Corrente no sentido do movimento Carga em movimento Origina um campo magnético (dipolo) Spin do electrão É apenas um conceito quântico sem analogia clássica!

Magnetização N e- S

INTRODUÇÃO À NANOTECNOLOGIA

O Futuro em 1959… “ There’s Plenty of Room at the Bottom” No dia 29 de Dezembro de 1959 Richard P. Feynman “ There’s Plenty of Room at the Bottom” Em 1989, Don Eigler escreveu logótipo da empresa com 35 átomos de xénon at an American Physical Society meeting at Caltech Nobel 1965 “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”. "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.” “Why cannot we write the entire volumes of the Encyclopedia Britannica on the head of a pin?” Manipulou átomo a átomo como previsto por Feynman !

? O que é NANO… Nano 1 nm = 10-9 m Deriva do grego, significa anão Objectos à nanoescala têm, pelo menos, uma dimensão de tamanho nanométrico ? Quão pequena é esta nanoescala

Nanoescala Video Nanoescala

Propriedades físicas e químicas diferentes das macroscópicas 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 The chemical properties (reactivity, flammability, etc.) and the physical properties (melting point, conductivity, etc.) can all change at the nanoscale Confere-lhes grande potencial para aplicações

Nanociência Silver and Gold particles have different colors depending on size and shape. © Northwestern University The chemical properties (reactivity, flammability, etc.) and the physical properties (melting point, conductivity, etc.) can all change at the nanoscale Por exemplo, substâncias opacas passam a transparentes, materiais inertes tornam-se catalisadores (p. ex. a platina), materiais estáveis tornam-se combustíveis (p. ex. o alumínio), sólidos fluem à temperatura ambiente (p. ex. o ouro), isoladores tornam-se condutores (p. ex. o silício com átomos implantados), a emissão/absorção de luz adquire características únicas e controláveis ao nível nanométrico/nanoestrutural (p. ex. os novos lasers de estado sólido).

Nanociência Domínio da Mecânica Quântica Escala nanométrica Não se aplicam as leis Clássicas da Física Domínio da Mecânica Quântica Para além das propriedades dos próprios nano-objectos serem alteradas: O alcance das interacções entre eles pode exceder a sua dimensão Originando novos fenómenos físicos Emergência dos fenómenos quânticos e dos efeitos de superfície Filmes Finos Dão origem novas e surpreendentes aplicações tecnológicas

Nanotecnologia Nanotecnologia Química Física Medicina Biologia Engenharia

Nanotecnologia Multidisciplinar Nanocristais Materiais Nanoestruturados Nanocápsulas Nanoengrenagens Nanocompositos Nanotubos Nanopartículas Materiais Nanoporosos Multidisciplinar

APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS

Discos de Gravação Magnética

Discos de Gravação Magnética Sensor activo de leitura e gravação Cabeça de leitura e gravação magnetica

Sensores MAGNETORESISTIVOS Cabeças de Leitura Sensores MAGNETORESISTIVOS Variação da resistência eléctrica com o campo magnético externo Spin Passagem dos electros da uma corrente e a resistencia a passagem dessa corrente no material é a resitencia electrica Comportamento surge das propriedades quânticas dos electrões Dispositivos Magnetoresistivos: Válvulas de Spin e Junções de Efeito Túnel

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 Camada Magnética Livre (5 nm) Camada de protecção Substrato ? e- Corrente no plano dos filmes finos!

Válvulas de Spin – como funcionam! Campo Magnético Externo Geometria CIP Movimento dos electrões Camada Magnética Livre Contacto Eléctrico Espaçador Condutor Não Magnético Contacto Eléctrico Camada Magnética Fixa FIXA Resistência SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS 1 E 0 Campo Magnético

Válvulas de Spin – como funcionam! Electrões com spin r , r R , R ↑ e ↓ canais de condução em paralelo Electrao-electrao….spin flip…gasta mais energia…prefere que os e- tem o mm spin FIXA LIVRE

Válvulas de Spin – como funcionam! Efeito Magnetoresitência Gigante ~10% r , R R , r Mesmo estruturas macroscópicas exibem magnetoresistência ↑ e ↓ canais de condução em paralelo Efeito Gigante surge apenas em nanoestruturas Electrao-electrao….spin flip…gasta mais energia…prefere que os e- tem o mm spin FIXA LIVRE FIXA LIVRE Causada por uma dispersão dos electrões dependente do spin Rparalelo < Ranti-paralelo

Leitura Magnética com Válvulas de Spin Leitura de Bits magnéticos com uma válvula de spin FIXA LIVRE Bits Magnéticos Gravados Longitudinalmente

Leitura Magnética com Válvulas de Spin Sinal Tempo 1 FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE Não sente campo

Problemas… Bits magnéticos cada vez mais pequenos! Necessária uma maior sensibilidade na leitura Junções de Efeito Túnel

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 Eléctrodo de Cima Semelhantes às válvulas de spin mas com uma camada isoladora no lugar do espaçador condutor! Eléctrodo de Baixo Isolador

Junções de Efeito Túnel vs Válvulas de Spin Corrente no plano do sensor: geometria CIP Corrente CAMADA LIVRE ESPAÇADOR CONDUTOR CAMADA FIXA ELECTRODO ELECTRODO Corrente perpendicular ao plano do sensor: geometria CPP Corrente ELECTRODO CAMADA LIVRE ISOLADOR CAMADA FIXA ELECTRODO

Junções de Efeito Túnel – como funcionam! Camada isoladora muito fina Electrões (onda-partícula) podem atravessá-la A barreira é atravessada por electrões com determinado spin Magnetoresistência por Efeito Túnel Corrente ELECTRODO CAMADA LIVRE ISOLADOR CAMADA FIXA ELECTRODO

Junções de Efeito Túnel – como funcionam! Como nas Válvulas de Spin, efeito dependente do spin do electrão Camada Livre Camada Fixa Resistência SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS 1 E 0 Campo Magnético No entanto… TMR ~ 100-400% ~20 vezes superior às Válvulas de Spin Maior SENSIBILIDADE adequada a bits cada vez mais pequenos, ou seja sinais mais fracos!

Perdem a capacidade de manter a orientação da magnetização Mais Longe… Maior densidade de gravação de dados Bits mais pequenos Em cada vez menor espaço 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 Próximo do limite de gravação longitudinal where the energy required to change the direction of the magnetic moment of a particle is comparable to the ambient thermal energy. ~10nm Perdem a capacidade de manter a orientação da magnetização Ou seja, perdem a informação armazenada Limite SUPERPARAMAGNÉTICO

Mais Longe… Solução ? Gravação perpendicular! Limite SUPERPARAMAGNÉTICO Solução ? Gravação perpendicular! where the energy required to change the direction of the magnetic moment of a particle is comparable to the ambient thermal energy. ~10nm Bits mais próximos (mais profundos!) logo maior capacidade de armazenar dados

Outras Aplicações - BioSensores MR Molécula a detectar Como ligar a molécula ao sensor ? Funcionalização do sensor Molécula a detectar Através de biomoléculas complementares Chave-fechadura Marcador magnético Funcionalização Marcador Magnético Superfície de Sensor Funcionalizado CAMADA FIXA CAMADA LIVRE ELECTRODO ESPAÇADOR Válvula de Spin

Outras Aplicações - BioSensores MR Campo criado pelos marcadores magnéticos Altera a magnetização da camada livre Alteração do estado da Válvula de Spin CAMADA FIXA CAMADA LIVRE ELECTRODO ESPAÇADOR A resistência do sensor varia quando as moléculas com nanopartículas magnéticas ficam aprisionadas

Obrigada Video 12um