Sistemas semicondutores nanoestruturados

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1 Sistemas semicondutores nanoestruturados Do átomo à computação quântica Belita Koiller Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro V SEMANA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA DA UFPA 17 de setembro de 2010

2 Sistemas semicondutores nanoestruturados Do átomo à computação quântica Séc 450 AC Belita Koiller Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro V SEMANA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA DA UFPA 17 de setembro de 2010

3 Mineralogia

4 Cristalografia Traité de cristallographie,1822. Sal de cozinha.

5 Química Tabela Periódica Mendeleev (1869)

6 Física: Elétrons J.J.Thomson (1897) Nobel 1906

7 O artigo de Einstein (1905). "On the Motion Required by the Molecular Kinetic Theory of Heat of Small Particles Suspended in a Stationary Liquid". Annalen der Physik 17 Explica o efeito Browniano; Constitui evidência experimental da existência dos átomos. Antes deste artigo, os átomos eram considerados um conceito útil, mas sua existência concreta era controversa. Einstein relacionou as grandezas estatísticas do movimento browniano com o comportamento dos átomos e deu aos experimentalistas um método de contagem dos átomos através de um microscópio vulgar. Wilhelm Ostwald, um dos que se opunham à ideia dos átomos, disse mais tarde a Sommerfeld que mudou de opinião devido à explicação de Einstein do movimento browniano.

8 Modelos Atômicos Rutherford (1911) Sistema solar em miniatura. Probabilidade de encontrar o elétron em cada região. Bohr (1913) Órbitas QUANTIZADAS. Schrodinger (1925) Órbitas Orbitais QUANTIZADOS. Nobel 1922 Nobel 1933

9 Emissão de luz por átomos ENERGIA ENERGIA

10 Visualizando átomos Comprimento de onda Luz visível: Å Å ~ 1 Å mm

11 Vendo sem luz Elétrons: de Broglie Å Nobel 1929 Nobel 1937 Vendo com elétrons Davisson e Germer (1927) Bell Telephone Labs

12 Efeito túnel P = 100 % Barreira STM MICROSCÓPIO DE TUNELAMENTO Binnig e Rohrer P < 100 % (1981) IBM Zurich Nobel % - P

13

14 STM Visualizando e manipulando átomos Superfície de Silício (Naval Research Lab, Wash DC, USA) Ferro sobre Cobre (IBM Research Labs, California)

15 H 2 O Moléculas DNA Dupla hélice Crick e Watson (1953) Nobel 1962

16 Sólidos: condutores, isolantes, semicondutores

17 Tabela periódica Para sólidos? não-metais H metais Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn He Fr Ra Ac semicondutores

18 As estruturas do Carbono Grafite Diamante

19 Diamantes de laboratório Bundy e colaboradores, 1955 General Electric Labs, NY.

20 1985: C 60 Harold Kroto Nobel 1996

21 C 60 ou Buckyballs Comparando dimensões ,2 km 22 cm ,7 nm

22 1991: Nonotubos de C Sumio Iijma, Nature 354 (1991)

23 Geometria e transporte de corrente em Nanotubos Índices quirais (n,m) = (n-m) mod 3 Metal = 0 Semicondutor = 1 ou 2

24 Aplicações Dispositivos nanoeletrônicos Junções Pontas de STM (metal-metal, metal-semicondutor, semicondutor-semicondutor) (6,6) - metal (10,0) semicondutor Zao et al., Nature 402 (1999)

25 1991: Nanotubos de C Elementos em circuitos elétricos Pontas de STM Dispositivos

26 2004: Grafeno Estrutura tipo tela de galinheiro de anéis de benzeno (sem os H)

27 Grafeno Monocamada isolada em 2004 por Geim e Novoselov, Manchester Univ. (técnica fita durex) Comportamento relativístico análogo a fóton com c =c/300

28 Estrutura ancestral de fulerenos, nanotubos e grafite

29 VÁLVULAS: controlando a corrente Válvula triodo LeeDe Forest (1906) AMPLIFICADOR Fonte Dreno (alimenta alto-falantes) Grade / Controle (sinais)

30 Electronic Numerical Integrator And Computer (ENIAC) Válvulas, massa = 30 ton, BUGS

31 A história dos chips

32 Semicondutores: controlando a corrente Válvula triodo LeeDe Forest (1906) AMPLIFICADOR Fonte Dreno (alimenta autofalantes) Grade / Controle (sinais) SEMIC. Puro: ISOLANTE Dopado com impurezas de átomos estranhos: CONDUTOR

33 Impurezas Doadoras Si Si (grupo IV) = [Ne] + 3s 2 +3p 2 caroço inerte elétrons P (grupo V) = [Ne ] + 4s 2 +4p 3 P (ou As, Sb) subst. Si Dopagem tipo-n {1 elétron ativo +1 próton} adicionais

34

35 O transistor N P N Fonte Dreno Grade de Controle Dispositivo original Transfer resistor -emge, anunciado por alto-falante com som amplificado 18 vezes. Nobel 1956 Bardeen, Shockley e Brattain, 25/12/1947, Bell Labs, USA.

36 Circuitos Integrados Todos os componentes do dispositivo encravados e interconectados em uma única placa de Si. O 1 o chip 5 componentes eletrônicos integrados. J. Kilby, verão de 1958 Texas Instruments Nobel 2000

37 Revolução na Eletônica 1966: Protótipo da primeira calculadora de bolso; Texas Instruments.

38

39 Microcomputadores 1971: 4004 Microprocessor (108 khz) ~ mil transistores 2000: Pentium 4 (1.5 GHz) 42 milhões de transistores

40 Miniaturização dos chips qual é o limite?

41 Lei de Moore (1965): o número de componentes em um único chip duplica a cada 18 (ou 24) meses. *

42 it seems that the laws of physics present no barrier to reducing the size of computers until bits are the size of atoms and quantum behavior holds sway. Richard Feynman, as leis da física não parecem apresentar barreiras quanto à redução do tamanho dos computadores até que os bits sejam do tamanho de átomos e o comportamento quântico domine.

43 Sistemas semicondutores nanoestruturados Do átomo... à computação quântica Belita Koiller Instituto de Física Universidade Federal do Rio de Janeiro V SEMANA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA DA UFPA 17 de setembro de 2010

44 Miniaturização do transistor N P N Fonte Dreno Grades de Controle on/off envolve cerca de 1000 elétrons Fonte Grade x 200 nm Dreno Grade 2 Transistor de 1 elétron (em GaAs/AlGaAs) H.W. Schumacher (1999) Hanover, Alemanha

45 A corrida pelo computador quântico Algorítmos computacionais de encriptação para proteger sistemas acessíveis ao público, em particular através da Internet, baseiam-se no fato de que a decomposição em fatores primos (ex: 21 = 3x7) de números grandes é um processo computacionalmente intensivo e portando extremamente demorado. Tais sistemas se tornarão vulneráveis caso esquemas rápidos de fatoração sejam desenvolvidos. Em 1994, Peter Shor desenvolveu um algorítmo quântico capaz de factorar números grandes em tempos exponencialmente mais rápidos que os atualmente disponíveis.

46 Lógica Clássica: binária Bit: 0 ou 1 O que é 1 ( 0 1 )? 2 Erro! Quântica: superposição OK! Qubit: Sistema quântico 0, 1 de 2 níveis: { }

47 Quantum bit (qubit) 1 0 Qualquer sistema quântico de 2 níveis Estado do qubit: Superposição 0 1 e números comple xo ; 2 2 s 1. Vetores em um Espaço de Hilbert Evolução temporal: Eq. de Schrödinger i d dt H

48 Portas Lógicas Operadores atuando no espaço de Hilbert dos qubits Combinações de todas as operações de 1-qubit + Uma única operação de 2-qubits, p.ex. C-NOT (Nãocontrolado) podem realizar qualquer operação lógica em um número arbitrário de qubits.

49 quantum phenomena do not occur in a Hilbert space,they occur in a laboratory. Asher Peres... fenômenos quânticos não ocorrem em um espaço de Hilbert, eles ocorrem no laboratório.

50 Quantum bit (qubit) 1 0 Qualquer sistema quântico de 2 níveis Erwin Schrödinger O paradoxo do gato de Schrödinger

51 Quantum bit (qubit) 1 0 Qualquer sistema quântico de 2 níveis we never experiment with just one electron or atom or small molecule. we sometimes assume that we do, this invariably entails ridiculous consequences. Erwin Schrödinger British Journal of the Philosophy of Science 1952

52 Quantum bit (qubit) 1 0 Qualquer sistema quântico de 2 níveis Velhos problemas em Física merecem ser revisitados. we never experiment with just one electron or atom or small molecule. we sometimes assume that we do, this invariably entails ridiculous consequences. Erwin Schrödinger British Journal of the Philosophy of Science 1952

53 Spin : atributo quântico do elétron e do núcleo Experimento de Stern-Gerlach (1922). Qubit natural

54 Computador quântico baseado em Si (1998) Bruce Kane Doadores de P em Si

55 1 átomo de P 1 bit quântico Controle: Operações de 1 qubit Operações de 2 qubits n e n z n n e z B n e A B g B H e e n e n e R J A A B H R H ) ( ) ( ) ( EXCHANGE R = Acoplamento hiperfino

56 Operações de 1 qubit F Donor-bound electron Interface-bound electron Teoria: Martins, Capaz & Koiller PRB 69 (2004) F

57 Operações de 1 qubit (situação experimental) Gate-induced quantum-confinement transition of a single dopant atom in a silicon FinFET Lansbergen et al. Nature Phys. 4 (2008). Estados hibridos observados experimentalmente em dispositivo de Si.

58 Operações de 2 qubits Orbital eletrônico do P em Si Si P

59 Si P Operações de 2 qubits Capaz & Koiller Koiller, Hu & Das Sarma PRL 88, (2002)

60 Towards the fabrication of P qubits for a Si quantum computer O Brien et al PRB 64, 16140(R) 2001 Atomically precise placement of single dopants in Si Schofield et al PRL 91,

61 ... e o Futuro?

62

63

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