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