Pós-graduação em Física

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1 FRJ Pós-graduação em Física Universidade Federal do Rio de Janeiro Pós-graduação em Física INSCRIÇÃO Do dia 01 de outubro ao dia 14 de novembro Áreas de Pesquisa: Física de Partículas Elementares e Campos Física Nuclear e Hadrônica Astrofísica e Cosmologia Física Atômica, Molecular e Óptica Física da Matéria Condensada 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. 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 PROCESSO SELETIVO 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. 1

2 Mini-curso de Spintrônica V Escola de Matogrossense de Física Tatiana G. Rappoport UFRJ 2

3 I. Introdução II. Background III. Spintrônica em metais IV. 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. 3 3

4 I - Uma palestra introdutória Tatiana G. Rappoport 4 4

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 Bottom An 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 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 5 5

6 Os anos 2000 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 6 6

7 Nanoescala Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 7 7

8 Poços quânticos Poço quântico Heterostrutura Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 8 8

9 Fios quânticos Nanofios Nanotubos Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 9 9

10 Pontos quânticos Ponto quântico auto-organizado Ponto Quântico eletricamente confinado Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 10 10

11 Pontos quânticos Pontos Quânticos coloidais Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 11 11

12 Nature Biotechnology 22, (2004) Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 12

13 Alguns dados da Intel Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 13 13

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 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 14 14

15 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. Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 15 15

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: Resistores Capacitores Diodos Transistores Papel fundamental dos dispositivos baseados em semicondutores, como transistores e diodos. Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 16 16

17 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? Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 17 17

18 Elétrons e o spin Spin: Momento angular intrínsico (propriedade puramente quântica) Elétrons tem spin 1/2. Spin Magnetismo Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 18 18

19 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! Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 19 19

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? Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 20 20

21 Mas já chegamos lá Leitura de dados no disco rígido Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 21 21

22 Prêmio Nobel de Física 2007 The Nobel Prize in Physics 2007 "for the discovery of Giant Magnetoresistance" Albert Fert Peter Grünberg Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 22

23 Magnetorestência Gigante (GMR) r e Eletrodo Condutor R e ++%$ Pequena resistência equivalente r Eletrodo R 3'##%+2 R e r Eletrodo Condutor Eletrodo r e R 3'##%+2 Grande resistência equivalente Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 23 23

24 Válvulas de spin e a leitura Spintrônica em metais magnéticos! Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 24 24

25 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. Forma de gravação de memória magnética! M 1 M 2 Efeito similar em paredes de domínios Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 25 25

26 Spintrônica em metais Magnetoresistência Gigante (GMR) Tunelamento dependente de spin (GMR) Transferência de Spin (spin-torque) Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 26

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 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 27 27

28 Três requerimentos para a spintrônica 28 28

29 Injeção de spin 29 29

30 Injeção eficiente de spins Magnético Não magnético Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 30 30

31 Injeção de spins Forma de medir a eficiência: Polarização de Spin P = n n n + n Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 31 31

32 Injeção de spins Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 32

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. Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 33 33

34 Semicondutores magnéticos (DMS) Mais famoso (1997): Ga 1-x Mn x As Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn) Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 34 34

35 Como? 35 35

36 Epitaxia por feixe molecular (MBE) Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 36 36

37 Epitaxia por feixe molecular (MBE) Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 37

38 Qual o mecanismo do magnetismo? Interação indireta mediada por cargas cortesia M. Berciu Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 38 38

39 Relaxação de spin 39 39

40 Relaxação lenta dos spins P t r ~1ns d r ~1µm Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 40 40

41 Semicondutores: um sucesso Polarização de spin gerada por luz circularmente polarizada Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999) Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 41 41

42 Detecção do spin 42 42

43 Detecção confiável de spin P=0! P=1! Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 43 43

44 Algumas técnicas de detecção Transporte eletrônico Efeito Hall anômalo Efeito túnel dependente do spin Medidas óticas Dicroísmo circular Spin LED Rotação Faraday Fotoluminescência Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 44 44

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 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 45 45

46 Computação quântica Utilizando spins 46 46

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. Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 47 47

48 Partículas quânticas Partícula clássica Partícula Quântica Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 48 48

49 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 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 49 49

50 Estados do spin como qubits + Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 50 50

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 Tatiana G. Rappoport V Escola Matogrossense de Física 51 51

52 FRJ Pós-graduação em Física Universidade Federal do Rio de Janeiro Pós-graduação em Física INSCRIÇÃO Do dia 01 de outubro ao dia 14 de novembro Áreas de Pesquisa: Física de Partículas Elementares e Campos Física Nuclear e Hadrônica Astrofísica e Cosmologia Física Atômica, Molecular e Óptica Física da Matéria Condensada 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. 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 PROCESSO SELETIVO 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. 52