tatiana-07

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Tatiana G. Rappoport
http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport
Spintrônica
 Uma palestra introdutória
T. G. T. G. RappoportRappoport 2Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Linhas gerais
• A eletrônica
• O spin
• Spintrônica em metais magnéticos
• Spintrônica em semicondutores
• Spintrônica e computação quântica
T. G. T. G. RappoportRappoport 3Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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. T. G. RappoportRappoport 4Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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)
T. G. T. G. RappoportRappoport 5Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Novidades na eletrônica
• O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005):
– Velocidades de v ~106 m/s
– Massa efetiva mef0
• Carbono x Silício?
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Elétrons e o campo magnético
• Sob efeito de um campo magnético:
• TVs, impressoras deskjet,aceleradores de partículas etc.
• Mas…
 
! 
r 
F 
m
= "e
r 
v #
r 
B 
N
S
=
! 
µ = IA
N
S
B
Um momento magnético µ se
alinha com um campo B
 
! 
" =
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?
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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
z
B
 
! 
S
z
= ±
1
2
h
T. G. T. G. RappoportRappoport 9Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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. T. G. RappoportRappoport 10Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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. T. G. RappoportRappoport 11Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Mas já chegamos lá…
• Leitura de dados no disco rígido
http://www.research.ibm.com/research/gmr.html
T. G. T. G. RappoportRappoport 12Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Magnetorestência Gigante (GMR)
Resistência
resultante
GRANDE
r
r
R
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
T. G. T. G. RappoportRappoport 13Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Válvulas de spin e a leitura
• Spintrônica em metais magnéticos!
T. G. T. G. RappoportRappoport 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:
T. G. T. G. RappoportRappoport 15Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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 spintrônica
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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?
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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 spin
T. G. T. G. RappoportRappoport 27Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
 Relaxação lenta dos spins
tr~1ns
dr~1µm
P
T. G. T. G. RappoportRappoport 28Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Semicondutores: um sucesso
Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)
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Detecção do spin
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Detecção confiável de spin
↑
P=1!
→ P=0!
T. G. T. G. RappoportRappoport 31Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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 quântica
Usando spins
T. G. T. G. RappoportRappoport 33Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Partícula
clássica
Partícula
Quântica
Partículas quânticas
T. G. T. G. RappoportRappoport 34Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
Bits quânticos
Wikipedia: “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→→
! 
" = # 0 + $ 1
Bits quânticos:
! 
"
2
+ #
2
=1
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Estados do spin como qubits
+
T. G. T. G. RappoportRappoport 36Top. FTop. Física Contemporâneaísica Contemporânea
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
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Spintrônica com semicondutores
Nature Physics 3, 153 - 159 (2007)
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!