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Tatiana G. Rappoport http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport

Tatiana G. Rappoport http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport

Spintrônica

Uma palestra introdutória

Spintrônica

Uma palestra introdutória

T. G. RappoportT. G. Rappoport 2Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea

Linhas gerais

• A eletrônica• O spin• Spintrônica em metais magnéticos• Spintrônica em semicondutores• Spintrônica e computação quântica

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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.

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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.

(seminários de Belita e Maurício)

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Novidades na eletrônica

• O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005)– Velocidades de v ~106 m/s

– Massa efetiva mef0

• Carbono x Silício?

AFMAFM

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Elétrons e o campo magnético

• Sob efeito de um campo magnético:

• TVs, impressoras deskjet,aceleradores de partículas etc.

• Mas…

€

rF m = −e

r v ×

r B

N

S=

€

μ =IANS

B

Um momento magnético μ se alinha com um campo B

€

τ = r

μ × r

B

U = −r μ ⋅

r B

Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea

• Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético:

• Se…

Experimento de Stern-Gerlach(1922)

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html

Bola carregada em rotação?

5s1

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Spin

• Spin: Momento angular intrínseco S

• Propriedade do elétron, como massa e carga

• Momento magnético μ associado a S– Elétron se comporta como um pequeno imã

• Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana + exclusão de Pauli (seminário Thereza e Érica)

€

U = −r μ ⋅

r B = −μ zB

€

Sz = ±1

2h

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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!

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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?

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Mas já chegamos lá…

• Leitura de dados no disco rígido

http://www.research.ibm.com/research/gmr.html

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Magnetorestência Gigante (GMR)

Resistência resultante

GRANDE

r

rR

FM

FM

Condutor -NM

Eletrodo Negativo

Eletrodo Positivo

e e

R

Resistência resultante

PEQUENA r

R

R

r

FM

FM

Condutor -NM

Eletrodo Negativo

Eletrodo Positivo

e e

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Válvulas de spin e a leitura

• Spintrônica em metais magnéticos!

T. G. RappoportT. G. Rappoport 14Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea

Novidades em metais magnéticos

v

M1 M2

•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!

•Efeito similar em paredes de domínios (Seminário da Elis)

Spin-torque:

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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

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Três requerimentos para a spintrônicaTrês requerimentos para a spintrônica

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Injeção de spin Injeção de spin

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Injeção eficiente de spins

Não magnéticoMagnético

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Injeção de spins

Forma de medir a eficiência:Polarização de Spin

€

P =n↑ −n↓

n↑ +n↓

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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.

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Semicondutores magnéticos (DMS)

Mais famoso (1997): Ga1-xMnxAs

•Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn)

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Como?Como?

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Epitaxia por feixe molecular (MBE)

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Qual o mecanismo do magnetismo?

Interação indireta mediada por cargas

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Outras propriedades dos DMS

• Manipulação elétrica do magnetismo • Apresenta spin-torque• Válvula de spin (?)• Tem propriedades óticas

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Relaxação de spinRelaxação de spin

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Relaxação lenta dos spins

tr~1ns

dr~1μm

P

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Semicondutores: um sucesso

Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)

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Detecção do spinDetecção do spin

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Detecção confiável de spin

P=1!

P=0!

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Algumas técnicas de detecção

• Transporte eletrônico– Efeito Hall anômalo– Efeito túnel (seminário da Belita) dependente do spin

• Medidas óticas– Dicroísmo circular – Rotação Faraday– Fotoluminescência

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Computação quânticaComputação quântica

Usando spinsUsando spins

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Partículaclássica

PartículaQuântica

Partículas quânticas

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Bits quânticosWikipedia: “bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação.

0 1Bits clássicos:

13= 23 + 0x22 + 21 + 20 1 0 1 1

€

ψ =α 0 + β 1

Bits quânticos:

€

α 2+ β

2=1

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Estados do spin como qubits

+

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Caixa de um único elétron

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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

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Spintrônica com semicondutores

Nature Physics 3, 153 - 159 (2007)

Avanços Avanços

??

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Grupo de pesquisa

• Raimundo R. dos Santos • Thereza Paiva• Paulo Farinas• Tatiana Rappoport

• Spintrônica, supercondutividade, magnetismo etc.

Alunos são bem vindos!Alunos são bem vindos!

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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

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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