Spintrônica Uma palestra introdutória. Tatiana G. Rappoport

Documentos relacionados
Pós-graduação em Física

Spintrônica Uma palestra introdutória. Tatiana G. Rappoport

Mini-curso de Spintrônica

Mini-curso de Spintrônica

Magnetoresistência Gigante: Precursor da Spintrônica

Resistividade A A R A Equação 2

ENGENHARIA E TECNOLOGIA CONSTRUINDO O FUTURO PROF. DR. BRUNO HONDA

A revolução da Spintrônica

Nanomagnetismo. Parte 5. Escola do CBPF 2008

8. Spin do elétron e átomos complexos

1. Ementa Carga Elétrica. Campo Elétrico. Lei de Gauss. Potencial Elétrico. Capacitância. Corrente e Resistência. Magnetismo.

Princípios de Magnetoquímica. Prof. Fernando R. Xavier

Magnetismo de materiais:

Aplicações dos Postulados da Mecânica Quântica Para Simples Casos: Sistema de Spin 1/2 e de Dois Níveis

Física Moderna II Aula 01. Marcelo G Munhoz Edifício HEPIC, sala 202, ramal

A Dualidade Onda-Partícula

Física Quântica. Aula 11: Spin do Elétron, Princípio de Exclusão de Pauli. Pieter Westera

3) Quais são os valores possíveis do número quântico magnético de spin? a) -1,- ½,0, ½,1 b) 0 e + ½ c) 1, 0 e +1 d) 0, 1, 2, 3,...

Introdução à Computação Quântica

PROGRAMA DE ENSINO. CÓDIGO DISCIPLINA OU ESTÁGIO SERIAÇÃO IDEAL/PERÍODO FIS1104 Física II 2ª S

FÍSICA 3 FCI0105/2016

Eletromagnetismo Aplicado

Física Moderna II Aula 01. Marcelo G Munhoz Pelletron, sala 245, ramal 6940

Universidade de São Paulo Instituto de Física. Física Moderna II. Profa. Márcia de Almeida Rizzutto 2 o Semestre de Física Moderna 2 Aula 5

A Experiência de Stern-Gerlach e o Spin do Elétron

Magnetismo IF-UFRJ, 9 de abril de 2009 Marcello Barbosa da Silva Neto

2.2.1 Efeito Hall e Magnetoresistência Condutividade Elétrica AC Corrente Elétrica em um Campo Magnético

Mecânica Quântica. Ênfase nos Primeiros Postulados (continuação)

Nanomagnetismo. Parte 1. Escola do CBPF

Disciplinas NMA-207 Magnetismo FIS-601 Tópico de Física III Magnetismo. Prof. Dr. Jose Antonio Souza

Física da Matéria Condensada - GFI 04129

Disciplina: Física I para Química Instituto de Física

MII 2.1 MANUTENÇÃO DE CIRCUITOS ELETRÔNICOS ANALÓGICOS TEORIA DOS SEMICONDUTORES

Elétrons como ondas? Um bom modelo deve ser capaz de explicar propriedades atômicas, propriedades periódicas, ligação química

Lista de Exercícios 3 Corrente elétrica e campo magnético

Aula 05 Materiais Magnéticos

INTRODUÇÃO À ELETRÔNICA GERAL (Unidade 1)

CAPÍTULO 41 HALLIDAY, RESNICK. 8ª EDIÇÃO

Cap. 41 -Condução de eletricidade em sólidos

Aula 17 Tudo sobre os Átomos

Física Moderna II Aula 03. Marcelo G Munhoz Pelletron, sala 245, ramal 6940

Campo na matéria II. 1 Resumem da aula anterior. Aula de março de campo magnetizante

Lista de Exercícios 5 Corrente elétrica e campo magnético

Eletromagnetismo II. Prof. Daniel Orquiza. Prof. Daniel Orquiza de Carvalho

O que é magnetismo de Rochas? Uma breve introdução

Introdução. O spin é uma propriedade das partículas elementares, eminentemente quântica, sem equivalente no mundo clássico.

-> Foi laureado com o Nobel de Física e um dos fundadores da Mecânica Quântica.

Aula 12. (quase) Tudo sobre os átomos. Física Geral F-428

Magnetismo de materiais:

CENTRO DE CIÊNCIAS NATURAIS E TECNOLOGIA

Física Moderna II - FNC376

ÁTOMOS MULTIELETRÔNICOS. QFL-4010 Prof. Gianluca C. Azzellini

PROGRAMA DE ENSINO. DEPARTAMENTO RESPONSÁVEL: Departamento de Física e Química

Física dos Materiais FMT0502 ( )

INDUÇÃO ELETROMAGNÉTICA

Física IV Poli Engenharia Elétrica: 20ª Aula (04/11/2014)

FACULDADE DE EDUCAÇÃO E MEIO AMBIENTE

PLANO DE ENSINO OBJETIVO GERAL

Motivação 10/29/2018. Física: compreender as propriedades dos átomos (últimos ~ 100 anos) Experimentos mais precisos :

Introdução Os semicondutores orgânicos e a eletrônica orgânica

QFL 2144 Parte 3A: Ressonância magnética nuclear

FÍSICA III Professora Mauren Pomalis ENGENHARIA ELÉTRICA - 3º PERÍODO UNIR/PORTO VELHO 2017/1

Halliday Fundamentos de Física Volume 3

no âmbito da história da Física Moderna e suas atuais aplicaçõ

Nanomagnetismo. Parte 3. Escola do CBPF

Eletrônica I PSI3321. Modelos de cargas, junção pn na condição de circuito aberto, potencial interno da junção, junção pn polarizada, exercícios.

Propriedades magnéticas de minerais e rochas

Momento Magnético Momento de Dipolo

AULA 07 CORRENTE ELÉTRICA E LEI DE OHM. Eletromagnetismo - Instituto de Pesquisas Científicas

INICIAÇÃO À PRÁTICA PROFISSIONAL INSTALAÇÕES ELÉTRICAS PREDIAIS ELETRICIDADE BÁSICA

Aula anterior. Equação de Schrödinger a 3 dimensões. d x 2m - E -U. 2m - E -U x, y, z. x y z x py pz cin cin. E E ( x, y,z ) - 2m 2m x y z

Esta folha de exercícios tem por objetivo, fazer uma revisão geral de tópicos fundamentais da disciplina de Materiais Elétricos.

Átomo de Hidrogênio 1

EMENTA: Carga e matéria. Campo elétrico. Lei de Gauss. Potencial elétrico. Capacitores

Aula 18 Condução de Eletricidade nos Sólidos

Introdução à Nanotecnologia

MÁQUINAS ELÉTRICAS. Aula 01 - ELETROMAGNETISMO

Prof. Willyan Machado Giufrida Curso de Engenharia Química. Ciências dos Materiais. Comportamento Elétrico

SUMÁRIO. Prefácio... 15

Física Geral. Eletricidade 3 Magnetismo

Capítulo 38 Fótons e Ondas de Matéria Questões Múltipla escolha cap. 38 Fundamentos de Física Halliday Resnick Walker

Plano de Ensino. Identificação. Câmpus de Bauru. Curso 2903B - Bacharelado em Química Ambiental Tecnológica. Ênfase. Disciplina A - Física III

CIRCUITOS INTEGRADOS E VLSI

Aula 5_3. Condutores, Isolantes, Semicondutores e Supercondutores. Física Geral e Experimental III Prof. Cláudio Graça Capítulo 5

Materiais Elétricos - Teoria. Aula 04 Materiais Magnéticos

PGF Física do Estado Sólido I

Eletromagnetismo I. Prof. Daniel Orquiza. Eletromagnetismo I. Prof. Daniel Orquiza de Carvalho

ELETRÔNICA BÁSICA - LISTA DE EXERCÍCIOS - DIODOS SEMI CONDUTORES

Semicondutores Magnéticos Diluídos. Mauricio Pamplona Pires IF - UFRJ

13.1 Propriedades Magnéticas da Matéria

Revisão de Eletromagnetismo

Força magnética e campo magnético

Cap. 5 - Corrente, Resistência e Força Eletromotriz

Estrutura da Matéria Profª Fanny Nascimento Costa

UNIVERSIDADE LUTERANA DO BRASIL

PLANO DE ENSINO IDENTIFICAÇÃO DA DISCIPLINA

Exame não invasivo I: Imagem por. Ressonância. Magnética. Nuclear

Organização de Computadores

FICHA DE DISCIPLINA CH TOTAL TEÓRICA: OBJETIVOS EMENTA

Física Moderna II Aula 25

Transcrição:

Spintrônica Uma palestra introdutória Tatiana G. Rappoport http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport 1 1

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

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

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

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

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

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

Experimento de Stern-Gerlach(1922) Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético: 5s 1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 8

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

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

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

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

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

Mas já chegamos lá Leitura de dados no disco rígido http://www.research.ibm.com/research/gmr.html T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 14 14

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

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

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

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

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

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

Três requerimentos para a spintrônica 21 21

Injeção de spin 22 22

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

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

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

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

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

Como? 28 28

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

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

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

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

Relaxação de spin 33 33

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

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

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

Detecção do spin 37 37

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

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

Computação quântica Usando spins 40 40

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

Bits quânticos Wikipedia: bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação. Bits clássicos: 0 1 13= 2 3 + 2 2 + 0x2 1 + 2 0 1 0 1 1 Bits quânticos: ψ = α 0 + β 1 α 2 + β 2 = 1 T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 42 42

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

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

Spintrônica com semicondutores Avanços? Nature Physics 3, 153-159 (2007) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 45 45

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

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

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 http://www.howstuffworks.com T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 48 48

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