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UFRJ Pós-graduação em Física • Física de Partículas Elementares e Campos • Física Nuclear e Hadrônica • Astrofísica e Cosmologia • Física Atômica, Molecular e Óptica • Física da Matéria Condensada Universidade Federal do Rio de Janeiro Pós-graduação em Física INSCRIÇÃO Do dia 01 de outubro ao dia 14 de novembro Mestrado: Serão aceitos candidatos graduados em Física ou áreas afins e graduandos que comprovarem a conclusão do curso em época compatível com o calendário do Instituto de Física da UFRJ. Doutorado: Serão aceitos candidatos que concluíram o Mestrado em Física, mestrandos que tenham completado os créditos necessários e graduados que se candidatem ao doutorado direto. Mestrado e Doutorado: O exame de seleção constará de: I - prova escrita, II - exame de língua estrangeira, III - entrevista pessoal e/ou por escrito. Poderão solicitar dispensa da prova escrita os candidatos que apresentarem comprovação do título de mestre ou que comprovarem a defesa da tese de mestrado em época compatível com o calendário do IF-UFRJ. Existe a possibilidade de aplicação de provas em outros estados ou países mediante justificativa do candidato. O conteúdo da prova escrita abrangerá conhecimentos do ciclo básico do Curso de Física. Biliografia sugerida: • Halliday D, Resnick R e Krane KS, Física, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. LTC; • Nussenzveig M, Curso de Física Básica, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. Edgard Blucher. Áreas de Pesquisa: O programa de pós-graduação da UFRJ possui conceito 7 na avaliação da CAPES. Oferece bolsas da CAPES e do CNPq, além da possibilidade de bolsas concedidas diretamente aos pesquisadores e bolsas CLAF e FAPERJ www.if.ufrj.br/~pos/pos.html PROCESSO SELETIVO 1 Tuesday, October 14, 2008

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UFRJ Pós-graduação em Física

• Física de Partículas Elementares e Campos• Física Nuclear e Hadrônica• Astrofísica e Cosmologia• Física Atômica, Molecular e Óptica• Física da Matéria Condensada

Universidade Federal do Rio de JaneiroPós-graduação em FísicaINSCRIÇÃODo dia 01 de outubro ao dia 14 de novembroMestrado: Serão aceitos candidatos graduados em Física ou áreas afins e graduandos que comprovarem a conclusão do curso em época compatível com o calendário do Instituto de Física da UFRJ.Doutorado: Serão aceitos candidatos que concluíram o Mestrado em Física, mestrandos que tenham completado os créditos necessários e graduados que se candidatem ao doutorado direto.

Mestrado e Doutorado: O exame de seleção constará de: I - prova escrita, II - exame de língua estrangeira, III - entrevista pessoal e/ou por escrito.Poderão solicitar dispensa da prova escrita os candidatos que apresentarem comprovação do título de mestre ou que comprovarem a defesa da tese de mestrado em época compatível com o calendário do IF-UFRJ. Existe a possibilidade de aplicação de provas em outros estados ou países mediante justificativa do candidato.O conteúdo da prova escrita abrangerá conhecimentos do ciclo básico do Curso de Física. Biliografia sugerida:• Halliday D, Resnick R e Krane KS, Física, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. LTC;• Nussenzveig M, Curso de Física Básica, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. Edgard Blucher.

Áreas de Pesquisa:O programa de pós-graduação da UFRJ possui conceito 7 na avaliação da CAPES. Oferece bolsas da CAPES e do CNPq, além da possibilidade de bolsas concedidas diretamente aos pesquisadores e bolsas CLAF e FAPERJ

www.if.ufrj.br/~pos/pos.html

PROCESSO SELETIVO

1Tuesday, October 14, 2008

Mini-curso de Spintrônica

V Escola de Matogrossense de Física

Tatiana G. Rappoport UFRJhttp://www.if.ufrj.br/~tgrappoport

2Tuesday, October 14, 2008

3

I. IntroduçãoII. BackgroundIII. Spintrônica em metaisIV. Spintrônica em semicondutores

– Geração de spins– Detecção de spins– Injeção de spins– Relaxação de spins

V. Computação quântica com spins– Introducão à computação quantica – Utilizando pontos quânticos para a CQ.

3Tuesday, October 14, 2008

4

I - Uma palestra introdutória

Tatiana G. Rappoport

4Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 5

De volta aos anos 60

Feynman deu sua famosa apresentação em 29 de Dezembro de 1959 no encontro anual da American Physical Society:

There's Plenty of Room at the BottomAn Invitation to Enter a New Field of Physics

”ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them”

Provalelmente o início da nanotecnologia

5Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 6

Os anos 2000

6Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 7

Nanoescala

7Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 8

Poços quânticos

Poço quântico Heterostrutura

8Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 9

Fios quânticos

NanotubosNanofios

9Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 10

Pontos quânticos

Ponto quântico auto-organizado

Ponto Quântico eletricamente confinado

10Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 11

Pontos quânticos

Pontos Quânticos coloidais

11Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport

Nature Biotechnology 22, 198 - 203 (2004)

12Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 13

Alguns dados da Intel

13Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 14

Spintrônica e nanotecnologia

• Nós já produzimos em escala nanoscópica.

• Mas estamos usando nanotecnologia?

• Nem sempre. Não se trata apenas de escala.

• Precisamos de nano-dispositivos que executem diversas funções

• Dispositivos e materiais multifuncionais.

Spintrônica

14Tuesday, October 14, 2008

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.

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 15

Eletrônica

15Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 16

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:

Papel fundamental dos dispositivos baseados em semicondutores, como transistores e diodos.

• Resistores • Capacitores

• Diodos • Transistores

16Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 17

Novidades na eletrônica

• O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005)

• Velocidades de v ~106 m/s

• Massa efetiva mef0

• Carbono x Silício?

AFM

17Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 18

Elétrons e o spin

Spin: Momento angular intrínsico(propriedade puramente quântica)

•Elétrons tem spin 1/2.•Spin → Magnetismo

18Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 19

Spintrônica

• Os principais objetivos da spintrônica são

• O controle elétrico de propriedades magnéticas

• Controle magnético de propriedades elétricas

• Existem muitas aplicações para isso!

Utiliza spin e carga dos elétrons (ou partículas similares)

Electrônica com spins

19Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 20

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?

20Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 21

Mas já chegamos lá…

• Leitura de dados no disco rígido

http://www.research.ibm.com/research/gmr.html

21Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport

Prêmio Nobel de Física 2007

The Nobel Prize in Physics 2007"for the discovery of Giant Magnetoresistance"

Albert Fert Peter Grünberg

22Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 23

Magnetorestência Gigante (GMR)

Eletrodo

r

rR

Condutor

Eletrodo

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Eletrodo

r

r RCondutor

Eletrodo

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R

Grande resistência equivalente

Pequena resistência equivalente

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23Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 24

Válvulas de spin e a leitura

• Spintrônica em metais magnéticos!

24Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 25

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

Spin-torque:

25Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport

Spintrônica em metais

• Magnetoresistência Gigante (GMR)

• Tunelamento dependente de spin (GMR)

• Transferência de Spin (spin-torque)

26Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 27

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

27Tuesday, October 14, 2008

28

Três requerimentos para a spintrônica

28Tuesday, October 14, 2008

29

Injeção de spin

29Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 30

Injeção eficiente de spins

Não magnéticoMagnético

30Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 31

Injeção de spins

Forma de medir a eficiência:Polarização de Spin

P =n↑ −n↓

n↑ + n↓

31Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport

Injeção de spins

32Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 33

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.

33Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 34

Semicondutores magnéticos (DMS)

Mais famoso (1997): Ga1-xMnxAs

• Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn)

34Tuesday, October 14, 2008

35

Como?

35Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 36

Epitaxia por feixe molecular (MBE)

36Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport

Epitaxia por feixe molecular (MBE)

http://www.nanowerk.com/nanotechnology/videos/videos.php

37Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 38

Qual o mecanismo do magnetismo?

Interação indireta mediada por cargas

cortesia M. Berciu

38Tuesday, October 14, 2008

39

Relaxação de spin

39Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 40

Relaxação lenta dos spins

tr~1ns

dr~1µm

P

40Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 41

Semicondutores: um sucesso

Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)

Polarização de spin gerada por luz circularmente polarizada

41Tuesday, October 14, 2008

42

Detecção do spin

42Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 43

Detecção confiável de spin

↑P=1!

→ P=0!

43Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 44

Algumas técnicas de detecção

• Transporte eletrônico

• Efeito Hall anômalo

• Efeito túnel dependente do spin

• Medidas óticas

• Dicroísmo circular

• Spin LED

• Rotação Faraday

• Fotoluminescência

44Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 45

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

45Tuesday, October 14, 2008

46

Computação quântica

Utilizando spins

46Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 47

Computação do Feynman

• Fato: Muitos problemas quânticos não são resolvidos de forma eficiente por computação clássica (requerem uma quantidade exponencial de recursos).

• Feynman em 1982: Utilizar computadores quânticos para resolver problemas quânticos!

• e.. alguns problemas tradicionais, como a fatorização de números muito grandes, também não são resolvidos de forma eficiente com a computação clássica.

• Mas o que a física tem a ver com isso?

• O computador é algo físico! Então, vamos usar a física para definit uma nova máquina mais poderoza.

47Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 48

Partículaclássica

PartículaQuântica

Partículas quânticas

48Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 49

Bits quânticos

Wikipedia: “bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação.

0 1Bits clássicos:

13= 23 + 22 + 0x21 + 20 1 0 1 1→

ψ = α 0 + β 1

Bits quânticos:

α2

+ β2

=1

49Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 50

Estados do spin como qubits

+

50Tuesday, October 14, 2008

V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 51

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

51Tuesday, October 14, 2008

UFRJ Pós-graduação em Física

• Física de Partículas Elementares e Campos• Física Nuclear e Hadrônica• Astrofísica e Cosmologia• Física Atômica, Molecular e Óptica• Física da Matéria Condensada

Universidade Federal do Rio de JaneiroPós-graduação em FísicaINSCRIÇÃODo dia 01 de outubro ao dia 14 de novembroMestrado: Serão aceitos candidatos graduados em Física ou áreas afins e graduandos que comprovarem a conclusão do curso em época compatível com o calendário do Instituto de Física da UFRJ.Doutorado: Serão aceitos candidatos que concluíram o Mestrado em Física, mestrandos que tenham completado os créditos necessários e graduados que se candidatem ao doutorado direto.

Mestrado e Doutorado: O exame de seleção constará de: I - prova escrita, II - exame de língua estrangeira, III - entrevista pessoal e/ou por escrito.Poderão solicitar dispensa da prova escrita os candidatos que apresentarem comprovação do título de mestre ou que comprovarem a defesa da tese de mestrado em época compatível com o calendário do IF-UFRJ. Existe a possibilidade de aplicação de provas em outros estados ou países mediante justificativa do candidato.O conteúdo da prova escrita abrangerá conhecimentos do ciclo básico do Curso de Física. Biliografia sugerida:• Halliday D, Resnick R e Krane KS, Física, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. LTC;• Nussenzveig M, Curso de Física Básica, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. Edgard Blucher.

Áreas de Pesquisa:O programa de pós-graduação da UFRJ possui conceito 7 na avaliação da CAPES. Oferece bolsas da CAPES e do CNPq, além da possibilidade de bolsas concedidas diretamente aos pesquisadores e bolsas CLAF e FAPERJ

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PROCESSO SELETIVO

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