Spintrônica Uma palestra introdutória. Tatiana G. Rappoport

Transcrição

1 Spintrônica Uma palestra introdutória Tatiana G. Rappoport

2 Linhas gerais A eletrônica O spin Spintrônica em metais magnéticos Spintrônica em semicondutores Spintrônica e computação quântica

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

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. Alguns dispositivos para controle do fluxo: Resistores Capacitores Diodos Transistores Papel fundamental dos dispositivos baseados em semicondutores, como transistores e diodos

5 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 = N S N S B τ = r µ r B U = r µ r B µ = IA Um momento magnético µ se alinha com um campo B

6 Spin Experimento de Stern-Gerlach(1922): Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético: 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

7 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!

8 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?

9 Mas já chegamos lá Leitura de dados no disco rígido

10 Prêmio Nobel de Física 2007 The Nobel Prize in Physics 2007 "for the discovery of Giant Magnetoresistance" Albert Fert Peter Grünberg 2008

11 Spintrônica em metais

12 Energia de Fermi Preenchendo os níveis de energia de uma partícula: Pegunta: Quantos estados em um intervalo de enegia de? E F de E k = h2 k 2 2m -4π/L -2π/L 2π/L 4π/L 12

13 Densidade de estados dn = g(e)de número de estados em um intervalo de Densidade de estados com energia E g ( g(e) E d 2) 1 d = 3 Gás de elétrons d = 2 d = 1 E 13

14 Elétrons em um sólido Isolante E F Metal 14

15 Ferromagnetos metálicos Ferromagnetismo Metálico: Interações causam um desvio relativo entre os canais de spin e N (E f ) Magnetização N (E f ) Polarização de spin P = N (E f ) N (E f ) N (E f ) + N (E f ) '+52'5+)&#B&,&*&'+,$-.'.#$&")',/9&C()&*)$- Correntes independentes em cada canal de spin (Mott 1936) : I=I + I I >> I e não há mistura de spins Caminho livre médio e tempos de espalhamento dependem do spin Filtros de spin! 15

16 Magnetorestência Gigante (GMR) )(*+&,-"++%$ '(& &./0+ 3'##%+2!"#"$$%$& '( 3'##%+2./0+ 1+2*("#"$$%$ /:!"#$% &'()*(+,"%-!"#$% Baibich et al. PRL 1987!" $%!"

17 Válvulas de spin e a leitura Usado nos discos rígidos desde

18 Junção túnel magnética Espaçador Isolante entre camadas ferromagnéticas Conservação de spin no tunelamento P configuration E AP configuration E f E f -ev d z Yuasa Nature Materials 04 and APL 06 Parkin Nat. Mater. 04; Ohno APL 06 MRAM!

19 Novidades em metais magnéticos: spin torque Cobalt / Copper / Cobalt S e e Os elétrons insidentes perdem seu momento angular de spin transversal para a camada ferromagnética com magnetização M S Transverse F 1 component F 2 Elétrons exercem torque na magnetização M. Rotação de M Forma de gravação de memória magnética! F 1 thick layer M F 2 thin layer Efeito similar em paredes de domínios e Writing 0 Slonczewski J. Magn. Magn. Mater. (1996). Berger PRB (1996) Primeira observação: Katine et al. PRL

20 Origem da transferência de spin ψ r ψ in ψ t Sup. Fermi kf ψ in = [ cos 1 2 θ e iφ/2 + sin 1 2 θ eiφ/2 ] e ik xx e iq R ψ = ψ + ψ { (e ψ = cos 1 ik 2 θ x x + R e ikxx )e iq R x < 0 e iφ/2 T e ik x x e iq R x > 0 { (e ψ = sin 1 ik 2 θ x x + R e ikxx )e iq R x < 0 eiφ/2 T e ik x x e iq R x > 0 1 T # 0 1 R # 0

21 Equações de continuidade n(r) = iσ ψ iσ (r) ψ iσ(r), m(r) = iσσ ψ iσ (r) s σ,σ ψ iσ (r), j(r) = Re iσ ψ iσ(r) ˆv ψ iσ (r), Q(r) = iσσ Re [ψ iσ (r) s σ,σ ˆv ψ iσ (r)], j + n t = 0, Q + m t = δm τ + n ext n c = δm Q τ m t = n c + n ext

22 Correntes em vórtices magnéticos B. Van Waeyenberg et al. Nature 2006 V. S. Pribiag etal. Nature Physics 3, (2007) Rai Moriya et al., Nature Physics 4, (2008)

23 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 23

24 Três requerimentos para a spintrônica 24

25 Injeção de spin 25

26 Injeção eficiente de spins Magnético Não magnético 26

27 Injeção de spins Forma de medir a eficiência: Polarização de Spin P = n n n + n 27

28 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. 28

29 Semicondutores magnéticos Em semicondutores (se comparados com metais): Cargas estão presentes devido à dopagem, em concentrações muito mais baixas. Naturalmente eles não apresentam spins localizados (ordered spins) Solução: Adicionar spins localizados com dopagem (ex. com Mn) Nós provavelmente precisamos de cargas também

30 Os semicondutores magnéticos do grupo III-V Mn: [Ar] 4s 2 3d 5 4p 0 Ga (III): [Ar] 4s 2 3d 10 4p 1 Ohno em 1997 Mn substitutional é um aceitador Cd (II): [Ar] 4s 2 3d 10 4p 0 Mn no III-V: fornece momento magnético moment e buracos Mn no II-VI: fornece momento magnético No Ga 1-x Mn x As, T c ~150 K Não é temperatura ambiente mas não é tão baixa

31 Algumas propriedades do (Ga,Mn)As Ga 1-x Mn x As Ferromagnético: x=2-8% Mn As Ga Wang et al., cond-mat/ [For reviews on experimental data see, e.g., Ohno and Matsukura, SSC 117, 179 (2001); Ohno, JMMM 200, 110 (1999)]

32 Fabricação: epitaxia por feixe molecular (MBE) 32

33 Domínios magnéticos em um DMS

34 Ferromagneto robusto! Mas precisa ser metálico

35 Ferromagnetismo no GaMnAs Mecanismo básico Interação de troca antiferro entre as cargas (buracos) e os spins do Mn IB E G E F Mn Carrier Mn Modelo da banda de impurezas(ib) H = t ij c + iσ c jσ ij J ij S i ( c + ασ σ αβ c βσ ) Hopping entre sítios de impureza ij Figure from M. Berciu Interação de troca entre os spins S i (Mn) e as cargas

36 Qual o mecanismo do magnetismo? Interação indireta mediada por cargas 36

37 Outras propriedades dos DMS Manipulação elétrica do magnetismo Ohno et al., Nature (2000) Apresenta spin-torque Apresenta TMR Tem propriedades óticas Chiba et al PRL 2004 Tanaka et al PRL

38 Utilizando a ótica Polarização circular para a direita Momento angular deve ser conservado Para σ + apenas transições com Δm l =+1 são permitidas Para σ - apenas transições com Δm l =-1 são permitidas l=+1 (σ + ) Polarização circular para a esquerda B=0 B 0 S=+1/2 p σ - σ + σ - σ + S=-1/2 l=-1 (σ - ) s Injeção de spin!

39 Relaxação de spin 39

40 Relaxação lenta dos spins P t r ~1ns d r ~1µm 40

41 Semicondutores: um sucesso Polarização de spin gerada por luz circularmente polarizada Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999) 41

42 Detecção do spin 42

43 Detecção confiável de spin P=0! P=1! 43

44 Algumas técnicas de detecção Transporte eletrônico Efeito Hall anômalo Efeito túnel dependente do spin Medidas óticas Dicroísmo circular Spin LED Fiederling et al. Nature (1999) 44

45 Computação quântica Usando spins 45

46 Partículas quânticas Partícula clássica Partícula Quântica 46

47

48 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 48

49 Estados do spin como qubits + 49

50 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 Nature Physics 4, (2008) 50

51 Algumas referências Nature Materials 6, (01 Nov 2007) - Em metais Nature Physics 3, (2007) - Em semicondutores Nature Materials 7, (2008) (em Magnetos moleculares) Nature 453, (2008) (manipulação individual de spins)

52 Obrigada pela atenção Para saber sobre minhas linhas de pesquisa: Alunos são bem vindos!