Spintrônica Uma palestra introdutória. Tatiana G. Rappoport

Transcrição

1 Spintrônica Uma palestra introdutória Tatiana G. Rappoport 1 1

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

3 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 3

4 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. T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 4 4

5 Fluxo de elétrons 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 5 5

6 Novidades na eletrônica AFM O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005) Velocidades de v ~10 6 m/s Massa efetiva m ef 0 Carbono x Silício? T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 6 6

7 Elétrons e o campo magnético Sob efeito de um campo magnético: r F m = e r v r B TVs, impressoras deskjet,aceleradores de partículas etc. Mas Um momento magnético µ se alinha com um campo B = µ = IA N S N S B τ = r µ r B U = r µ r B T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 7 7

8 Experimento de Stern-Gerlach(1922) Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético: 5s 1 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 8

9 Experimento de Stern-Gerlach T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 9 9

10 Experimento de Stern-Gerlach Bola carregada em rotação? T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 10 10

11 Spin Spin: Momento angular intrínseco S S z = ± 1 2 h Propriedade do elétron, como massa e carga Momento magnético µ associado a S Elétron se comporta como um pequeno imã U = r µ r B = µ z B Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana + exclusão de Pauli (seminário rica) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 11 11

12 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 12 12

13 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 13 13

14 Mas já chegamos lá Leitura de dados no disco rígido T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 14 14

15 Prêmio Nobel de Física 2007 The Nobel Prize in Physics 2007 "for the discovery of Giant Magnetoresistance" Albert Fert Peter Grünberg T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 15 15

16 Magnetorestência Gigante (GMR) Eletrodo Positivo R FM r Resistência resultante r e Condutor -NM e FM Eletrodo Negativo R r GRANDE Eletrodo Positivo FM R Resistência resultante PEQUENA T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 16 r e Condutor -NM FM Eletrodo Negativo e R 16

17 Válvulas de spin e a leitura Spintrônica em metais magnéticos! T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 17 17

18 Novidades em metais magnéticos Spin-torque: v 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. M 1 M 2 Forma de gravação de memória magnética! Efeito similar em paredes de domínios (Seminário da Elis) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 18 18

19 Vórtices magnéticos T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 19 19

20 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 20 20

21 Três requerimentos para a spintrônica 21 21

22 Injeção de spin 22 22

23 Injeção eficiente de spins Magnético Não magnético T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 23 23

24 Injeção de spins Forma de medir a eficiência: Polarização de Spin P = n n n + n T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 24 24

25 Injeção de spins T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 25 25

26 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 26 26

27 Semicondutores magnéticos (DMS) Mais famoso (1997): Ga 1-x Mn x As Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 27 27

28 Como? 28 28

29 Epitaxia por feixe molecular (MBE) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 29 29

30 Epitaxia por feixe molecular T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 30 30

31 Qual o mecanismo do magnetismo? Interação indireta mediada por cargas T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 31 31

32 Outras propriedades dos DMS Manipulação elétrica do magnetismo Apresenta spin-torque Válvula de spin (?) Tem propriedades óticas T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 32 32

33 Relaxação de spin 33 33

34 Relaxação lenta dos spins P t r ~1ns d r ~1µm T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 34 34

35 Relaxação de spin T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 35 35

36 Semicondutores: um sucesso Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 36 36

37 Detecção do spin 37 37

38 Detecção confiável de spin P=0! P=1! T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 38 38

39 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 39 39

40 Computação quântica Usando spins 40 40

41 Partículas quânticas Partícula clássica Partícula Quântica T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 41 41

42 Bits quânticos Wikipedia: bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação. Bits clássicos: = x Bits quânticos: ψ = α 0 + β 1 α 2 + β 2 = 1 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 42 42

43 Estados do spin como qubits + T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 43 43

44 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 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 44 44

45 Spintrônica com semicondutores Avanços? Nature Physics 3, (2007) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 45 45

46 Spintrônica com grafeno? T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 46 46

47 Grupo de pesquisa Raimundo R. dos Santos Thereza Paiva Tatiana Rappoport Spintrônica, supercondutividade, magnetismo etc. Alunos são bem vindos! T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 47 47

48 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 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 48 48

49 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 49 49