Fenômenos dinâmicos em nano-estruturas magnéticas

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1 Universidade Federal de Pernambuco Departamento de Física Recife, PE, Brazil Fenômenos dinâmicos em nano-estruturas magnéticas Sergio M. Rezende Recife, de fevereiro de

2 PROGRAMA I- Conceitos básicos de magnetismo a- Origens do momento magnético; diamagnetismo e paramagnetismo. b- Interações magnéticas; campo molecular; fenomenologia das interações. c- Ferromagnetismo, domínios magnéticos; Ferri- e antiferromagnetismo. d- Aplicações de materiais ferromagnéticos II- Excitações dinâmicas a- Ressonâncias paramagnética (EPR) e ferromagnética (FMR). b- Ondas de spin: tratamento clássico. c- Ondas de spin: tratamento quântico; magnons. d- Técnicas experimentais para estudo de ondas de spin. 2

3 PROGRAMA III- Fenômenos em Spintrônica a-propriedades e fenômenos em filmes e multicamadas. b-interações entre camadas magnéticas c- Magneto-resistência gigante (GMR) d- Sensores de válvulas de spin: aplicação em disk-drives e- Corrente de spin. f- Efeito Hall de spin e efeito Hall de spin inverso (ISHE). g- Spin pumping em bi-camadas FM/NM. h-efeitos termo-elétricos dependentes de spin. 3

4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1- C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (J. Wiley, 2004).-I e II 2- A.P. Guimarães, Introduction to Magnetism and Magnetic Resonance (J. Wiley, 1998).-I e II 3- S.M. Rezende, Materiais e Dispositivos Eletrônicos (Ed. Livraria da Física, São Paulo, 2004).- I 4- R.M. White, Quantum Theory of Magnetism (Springer- Verlag, 2007).- I e II 5- D.D. Stancil and A. Prabhakar, Spin Waves-Theory and Applications (Springer, 2009).- I e II 6- S. Maekawa, ed, Concepts in Spin Electronics (Oxford, 2006).- III 4

5 MAGNETISMO Definições de dicionário Habilidade de atrair; poder de encantar; Atração do ferro observada no ímã natural e nos magnetos Área da ciência que trata de fenômenos magnéticos ORIGEM DO NOME: MAGNESIA, região da Turquia Antiga onde a magnetita (ímã natural) foi descoberta PRIMEIRA APLICAÇÃO TECNOLÓGICA 2000 a.c d.c. Bússola usada pelos chineses

6 MAGNETISMO : História antiga PRIMEIROS RELATOS CIENTÍFICOS 800 a.c., Grécia Antiga: Experimentos and conjecturas filosóficas sobre o magneto natural (loadstone, magnetita) PRIMEIROS LIVRO (LATIM) 1269 d.c.: Pierre de Maricourt discorre sobre as propriedades dos magnetos naturais

7 Magnetismo na Europa no Século 16 Latin original1600 Um dos primeiros livros de Física da história

8 Revolução no Século 19 Bases do eletromagnetismo ( ) Oersted, Ampère corrente I cria campo magnético B I B I Fio com corrente I no campo sofre ação de força F SMR 8

9 Revolução no Século 19 Aplicação tecnológica das descobertas de Oersted e Ampère: Motor elétrico Primeiro motor elétrico Motor elétrico atual (Usa material magnético) SMR 9

10 Revolução no Século 19 Bases do eletromagnetismo ( ) Faraday, Henry: indução magnética I variação de B cria corrente I SMR 10

11 Revolução no Século 19 Aplicação tecnológica da indução magnética Gerador elétrico Primeiro gerador elétrico 1856 (Usa material magnético) SMR 11

12 Revolução no Século 19 As aplicações tecnológicas dos fenômenos eletromagnéticos transformaram os costumes da sociedade e os processos de produção Geração e distribuição de energia elétrica Transmissão Geração Distribuição e consumo SMR 12

13 Energia elétrica tornou-se essencial para a humanidade SMR 13

14 Século 19: Bases do eletromagnetismo Cambridge (1873) Equações de Maxwell div D 4 div B 0 1 db rot E c dt 1 dd rot H c dt 4 J c Ondas eletromagnéticas (Hertz) E B k

15 Magnetismo na Europa no Século 19 Faltava entender as origens do magnetismo dos materiais M fase ferromagnética 1895: Pierre Curie fase paramagnética T C T

16 Magnetismo nos EUA Século 19 magnetização remanente M 1891: James Erwin M r Primeiro livro sistemático sobre as propriedades de materiais ferromagnéticos -H c H Materiais magnéticos Usados em motores, geradores, relés, Transformadores, etc H c = campo coercivo Curva de histerese

17 Origem do magnetismo dos materiais M 1895: Pierre Curie 1907: Pierre Weiss- Modelo semi-clássico para o ferromagnetismo T C T momento magnético local local vê campo molecular H E H E produzido pelos pelos vizinhos vizinhos E=- H E H E = k B T c direção e energia quantizadas usa T c = 1000 E = - K H E obtem H E = 10 7 Oe campo enorme!!

18 Origem do magnetismo dos materiais Modelo de Weiss foi importante para a compreensão do magnetismo Porém, ficavam duas grandes perguntas origem de origem de H E

19 Origem do magnetismo dos materiais Virada do Século 20: Compreensão do elétron, do fóton e do átomo ( ) J.J. Thomson descoberta do elétron (1900) Max Planck quantização de osciladores ( ) Einstein, Millikan efeito fotoelétrico, fótons ( ) Bohr, de Broglie teoria quântica do átomo Heisenberg, Schroedinger d H i dt. e

20 Origem do magnetismo dos materiais A origem do momento magnético (1921) Compton proposta do spin do elétron (1922) Stern & Gerlach medida do momento angular e do momento magnético do elétron no átomo Magneton de Bohr B L. e L

21 Origem do magnetismo dos materiais O spin do elétron (1925) Uhlembeck & Goudsmit descoberta do spin além de carga e massa, elétron tem spin S e momento magnético B -e, m S B B = 9.27 x erg G -1 (ou J T -1 )

22 Origem do momento magnético Momentum angular orbital Momentum angular de spin de um elétron S z = h m s m s = +1/2 ou 1/2 Momento magnético total

23 Origem do momento magnético íons com camadas internas incompletas grupo de transição do ferro íons magnéticos terras raras (lantanídeos) Íons do grupo de transição do ferro e de terras raras têm camadas eletrônicas incompletas, logo têm spin S e momento magnético

24 Origem do momento magnético Regras de Hund para determinar o estado fundamental de íon Fator g de Landé

25 Origem do momento magnético Regras de Hund

26 Origem do momento magnético Regras de Hund

27 Bases teóricas do magnetismo moderno 1932: Van Vleck Harvard 1939: Bates Cambridge

28 Magnetismo nos materiais Paramagnetismo (Não há interação entre os momentos) T > 0

29 Definições básicas para o magnetismo Magnetização H=0 Energia de momento Magnético em campo B Susceptibilidade magnética (resposta magnética) M=0 SI CGS Vetor indução magnética Permeabilidade

30 Definições básicas para o magnetismo Unidades

31 Paramagnetismo T > 0 L=0, S=1/2 Para S>1/2 obtém-se uma combinação de funções hiperbólicas conhecida com função de Brillouin

32 Paramagnetismo L=0, S=1/2 T > 0 Lei de Curie

33 Origem do ferromagnetismo dos materiais Íons do grupo de transição do ferro e de terras raras têm camadas eletrônicas incompletas, e portanto spin S e momento magnético Entrelaçamento das funções de onda de íons vizinhos produz interação entre os spins (Dirac e Heisenberg 1926) S 1 S 2 E ex J S 1 S 2

34 Origem do ferromagnetismo dos materiais Campo molecular Magnetização espontânea

35 Origem do ferromagnetismo dos materiais Magnetização espontânea x

36 Ferromagnetismo nos materiais M M (T )? T<<T C T >T C T C T

37 Ferromagnetismo dos materiais Ferromagnetismo é caracterizado por J > 0 Isolantes E ex J Devido aos íons que possuem momentos magnéticos S S 1 2 momentos localizados nos íons interação J entre momentos Origem de H E Ex: EuO (na realidade um semicondutor)

38 Energia de anisotropia cristalina Ferro Níquel Cobalto H (Oe) H (Oe) H (Oe) E C [001] K K Cristais cúbicos [100]

39 Energia relativa a E F (ev) Ferromagnetismo nos metais: elétrons itinerantes Estados híbridos Banda 4s elétrons de condução Densidade de estados (estados/ev) J E F Banda 3d elétrons localizados

40 Materiais ferromagnéticos

41 Materiais ferromagnéticos: Resposta macroscópica Domínios magnéticos M H saturação M T =0 H

42 Materiais ferromagnéticos: Resposta macroscópica M magnetização remanente M r -H c H H c = campo coercivo

43 Magnetismo nos isolantes Íons magnéticos (Fe,Mn,Ni,Co) Ligante (F,O) Interação de super exchange J < 0 (1932) Néel: Antiferromagnetismo J < 0 magnetização total NULA não tem resposta macroscópica

44 Materiais antiferromagnéticos J < 0 MnO

45 Materiais Ferrimagnéticos Raríssimos isolantes são ferromagnéticos Muitos são ferrimagnéticos Fe 3+ Fe 2+ J 2 > 0 Magnetita Fe 3 O 4 (Ímã natural) O J 1 < 0 J 2 > 0

46 Susceptibilidade dos materiais

47 Aplicações tradicionais de Materiais magnéticos 1- Materiais duros -ímãs permanentes Motores, geradores, alto-falantes, microfones 2- Materiais moles ou doces Transformadores, geradores, motores, cabeçotes de gravação 3- Materiais intermediários Meios de gravação magnética

48 Aplicações tradicionais de Materiais magnéticos Ímã Permanente ciclo de histerese largo -H c M r motores, geradores, alto-falantes, microfones

49 Aplicações tradicionais de Materiais magnéticos Material mole (doce) ciclo de histerese estreito transformadores, geradores, motores, cabeças de gravação

50 Aplicações tradicionais de Materiais magnéticos Meio para gravação magnética ciclo de histerese intermediário

51 Evolução da gravação magnética Aplicações em equipamentos eletrônicos (1935) Gravador de áudio da AEG (1953) Gravador de vídeo da RCA

52 Gravação magnética em computadores Dispositivos de memória permanente (1952) Tambor magnético (1962) Pilha de discos magnéticos removíveis

53 Gravação magnética em computadores Primeira memória de acesso randômico - RAM e n d e r e ç o c o l u n a s matriz de memória amplificador de sinal núcleo de ferrite endereçamento de linhas

54 Gravação magnética em computadores Primeira memória de acesso randômico - RAM 16 K!

55 O nascimento da Eletrônica (1907) De Forest inventa a válvula triodo elétrons emitidos pelo catodo são acelerados para a placa por um campo elétrico ( ) Marconi e Landel de Moura fazem transmissão de sinais a distância ( ) Armstrong desenvolve o rádio receptor

56 Evolução da Eletrônica A transmissão e recepção de sinais de áudio e de vídeo possibilitou a comunicação à distância, que revolucionou os costumes da sociedade no início do Século 20 I e i t receptor transmissor O rádio tornou-se desejo de consumo da sociedade

57 Evolução da Eletrônica ( ) Inúmeros equipamentos eletrônicos são inventados e passam a ter aplicação em muitos setores da vida da sociedade. Porém a eletrônica de válvulas tinha muitas limitações.

58 A invenção do transistor Em Dez/ 1947, Shockley, Bardeen e Bratain anunciaram no Bell Telephone Laboratory a invenção do transistor formado por junções de semicondutores Shockley, Bardeen e Bratain receberam o prêmio Nobel de Física em

59 A invenção do transistor O transistor e outros dispositivos semicondutores revolucionaram a eletrônica 59

60 Evolução rápida e contínua da eletrônica Em 1958, Jack Kilby desenvolve o circuito integrado O chip revolucionou a eletrônica E no ano 2000 Kilby recebeu o Prêmio Nobel de Física 60

61 Física da matéria condensada Materiais Isolantes Metais Semicondutores Orgânicos Propriedades Eletrônicas Ópticas Dielétricas Magnéticas Térmicas, etc

62 Física da matéria condensada As descobertas em Física da Matéria Condensada têm sido responsáveis pelos grandes avanços na tecnologia: Transistores Lasers de gás, sólidos e de diodo (LED) Fibras ópticas Mostradores de cristal líquido (LCD) e de LED Dispositivos magnéticos Sensores diversos Células foto-voltaicas E muitos outros dispositivos

63 Gravação magnética em computadores Principal meio de armazenagem de informações unidades de fita magnética (1962) Computador IBM 360

64 O computador pessoal Microprocessador Memória de disco rígido

65 Universidade Federal de Pernambuco Centro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Física Muito obrigado pela atenção e até amanhã rezende@df.ufpe.br 65