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Tatiana G. Rappoport http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport
Tatiana G. Rappoport http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport
Spintrônica
Uma palestra introdutória
Spintrônica
Uma palestra introdutória
T. G. RappoportT. G. Rappoport 2Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Linhas gerais
• A eletrônica• O spin• Spintrônica em metais magnéticos• Spintrônica em semicondutores• Spintrônica e computação quântica
T. G. RappoportT. G. Rappoport 3Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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.
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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. RappoportT. G. Rappoport 5Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Novidades na eletrônica
• O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005)– Velocidades de v ~106 m/s
– Massa efetiva mef0
• Carbono x Silício?
AFMAFM
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Elétrons e o campo magnético
• Sob efeito de um campo magnético:
• TVs, impressoras deskjet,aceleradores de partículas etc.
• Mas…
€
rF m = −e
r v ×
r B
N
S=
€
μ =IANS
B
Um momento magnético μ se alinha com um campo B
€
τ = r
μ × r
B
U = −r μ ⋅
r B
Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
• Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético:
• Se…
Experimento de Stern-Gerlach(1922)
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html
Bola carregada em rotação?
5s1
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Spin
• Spin: Momento angular intrínseco S
• Propriedade do elétron, como massa e carga
• Momento magnético μ associado a S– Elétron se comporta como um pequeno imã
• Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana + exclusão de Pauli (seminário Thereza e Érica)
€
U = −r μ ⋅
r B = −μ zB
€
Sz = ±1
2h
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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!
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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?
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Mas já chegamos lá…
• Leitura de dados no disco rígido
http://www.research.ibm.com/research/gmr.html
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Magnetorestência Gigante (GMR)
Resistência resultante
GRANDE
r
rR
FM
FM
Condutor -NM
Eletrodo Negativo
Eletrodo Positivo
e e
R
Resistência resultante
PEQUENA r
R
R
r
FM
FM
Condutor -NM
Eletrodo Negativo
Eletrodo Positivo
e e
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Válvulas de spin e a leitura
• Spintrônica em metais magnéticos!
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Novidades em metais magnéticos
v
M1 M2
•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:
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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
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Três requerimentos para a spintrônicaTrês requerimentos para a spintrônica
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Injeção de spin Injeção de spin
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Injeção eficiente de spins
Não magnéticoMagnético
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Injeção de spins
Forma de medir a eficiência:Polarização de Spin
€
P =n↑ −n↓
n↑ +n↓
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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.
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Semicondutores magnéticos (DMS)
Mais famoso (1997): Ga1-xMnxAs
•Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn)
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Como?Como?
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Epitaxia por feixe molecular (MBE)
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Qual o mecanismo do magnetismo?
Interação indireta mediada por cargas
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Outras propriedades dos DMS
• Manipulação elétrica do magnetismo • Apresenta spin-torque• Válvula de spin (?)• Tem propriedades óticas
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Relaxação de spinRelaxação de spin
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Relaxação lenta dos spins
tr~1ns
dr~1μm
P
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Semicondutores: um sucesso
Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)
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Detecção do spinDetecção do spin
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Detecção confiável de spin
P=1!
P=0!
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Algumas técnicas de detecção
• Transporte eletrônico– Efeito Hall anômalo– Efeito túnel (seminário da Belita) dependente do spin
• Medidas óticas– Dicroísmo circular – Rotação Faraday– Fotoluminescência
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Computação quânticaComputação quântica
Usando spinsUsando spins
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Partículaclássica
PartículaQuântica
Partículas quânticas
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Bits quânticosWikipedia: “bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação.
0 1Bits clássicos:
13= 23 + 0x22 + 21 + 20 1 0 1 1
€
ψ =α 0 + β 1
Bits quânticos:
€
α 2+ β
2=1
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Estados do spin como qubits
+
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Caixa de um único elétron
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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
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Spintrônica com semicondutores
Nature Physics 3, 153 - 159 (2007)
Avanços Avanços
??
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Grupo de pesquisa
• Raimundo R. dos Santos • Thereza Paiva• Paulo Farinas• Tatiana Rappoport
• Spintrônica, supercondutividade, magnetismo etc.
Alunos são bem vindos!Alunos são bem vindos!
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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
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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