Spintrnica Uma palestra introdutria Tatiana G Rappoport http

Spintrônica Uma palestra introdutória Tatiana G. Rappoport http: //www. if. ufrj. br/~tgrappoport 1

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

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. T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 3

Fluxo de elétrons • Elétrons tem carga elétrica negativa. • Quando eles se movem (livres do núcleo dos átomos) e existe um fluxo resultante, este fluxo se chama 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) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 4

Novidades na eletrônica AFM • O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005) – Velocidades de v ~106 m/s – Massa efetiva mef 0 • Carbono x Silício? T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 5

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

Experimento de Stern-Gerlach(1922) • Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético: 5 s 1 http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/spin. html • Se… Bola carregada em rotação? Top. Física Contemporânea

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 �É rica) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 8

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! T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 9

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? T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 10

Mas já chegamos lá… • Leitura de dados no disco rígido http: //www. research. ibm. com/research/gmr. html T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 11

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

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

Novidades em metais magnéticos Spin-torque: • O Spin do elétron de condução sofre uma rotação pela interação com a magnetização. v • Por conservação de momento angular, o spin exerce um torque na magnetização. • Forma de gravação de memória magnética! M 1 T. G. Rappoport M 2 • Efeito similar em paredes de domínios (Seminário da Elis) Top. Física Contemporânea 14

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 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 15

Três requerimentos para a spintrônica 16

Injeção de spin 17

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

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

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. T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 20

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

Como? 22

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

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

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

Relaxação de spin 26

Relaxação lenta dos spins P tr~1 ns T. G. Rappoport dr~1 m Top. Física Contemporânea 27

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

Detecção do spin 29

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

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

Computação quântica Usando spins 32

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

Bits quânticos Wikipedia: “bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação. Bits clássicos: 13= 23 + 0 x 22 + 21 + 20 0 1 1 Bits quânticos: T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 34

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

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

Spintrônica com semicondutores Avanços ? Nature Physics 3, 153 - 159 (2007) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 37

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

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 http: //www. howstuffworks. com T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 39

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 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 40