Top. Física Contemporânea - Instituto de Física / UFRJ
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Spintrônica Uma palestra introdutória Tatiana G. Rappoport http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport 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 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 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. Rappoport Top. Física Contemporânea 4 Novidades na eletrônica AFM • O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005) – Velocidades de v ~106 m/s – Massa efetiva mef0 • Carbono x Silício? T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 5 Elétrons e o campo magnético • Sob efeito de um campo magnético: Fm ev B • TVs, impressoras deskjet,aceleradores de partículas etc. • Mas… Um momento magnético se alinha com um campo B B = IA T. G. Rappoport N S r B r r U B r Top. Física Contemporânea 6 Experimento de Stern-Gerlach(1922) • Um feixe de átomos de prata se divide em dois quando passa por um campo magnético: 5s1 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html • Se… Bola carregada em rotação? Top. Física Contemporânea Spin • Spin: Momento angular intrínseco S 1 Sz 2 • Propriedade do elétron, como massa e carga • Momento magnético associado a S – Elétron se comporta como um pequeno imã r r U B z B • Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana + exclusão de Pauli (seminário Thereza e Érica) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 8 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 9 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 10 Mas já chegamos lá… • Leitura de dados no disco rígido http://www.research.ibm.com/research/gmr.html T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 11 Magnetorestência Gigante (GMR) Eletrodo Positivo R FM Resistência resultante r GRANDE Condutor -NM e r e FM R Eletrodo Negativo r R Condutor -NM Resistência resultante PEQUENA Eletrodo Positivo FM e r e FM R Eletrodo Negativo T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 12 Válvulas de spin e a leitura • Spintrônica em metais magnéticos! T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 13 Novidades em metais magnéticos Spin-torque: •O Spin do elétron de condução sofre uma rotação pela interação com a magnetização. v •Por conservação de momento angular, o spin exerce um torque na magnetização. •Forma de gravação de memória magnética! M1 T. G. Rappoport M2 •Efeito similar em paredes de domínios (Seminário da Elis) Top. Física Contemporânea 14 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 15 Três requerimentos para a spintrônica 16 Injeção de spin 17 Injeção eficiente de spins Magnético T. G. Rappoport Não magnético Top. Física Contemporânea 18 Injeção de spins Forma de medir a eficiência: Polarização de Spin P n n n n T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 19 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 20 Semicondutores magnéticos (DMS) QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. Mais famoso (1997): Ga1-xMnxAs •Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 21 Como? 22 Epitaxia por feixe molecular (MBE) QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 23 Qual o mecanismo do magnetismo? Interação indireta mediada por cargas QuickTime™ and a Motion JPEG OpenDML decompressor are needed to see this picture. T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 24 Outras propriedades dos DMS • • • • Manipulação elétrica do magnetismo Apresenta spin-torque Válvula de spin (?) Tem propriedades óticas T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 25 Relaxação de spin 26 Relaxação lenta dos spins P tr~1ns T. G. Rappoport dr~1m Top. Física Contemporânea 27 Semicondutores: um sucesso Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 28 Detecção do spin 29 Detecção confiável de spin P=0! T. G. Rappoport P=1! Top. Física Contemporânea 30 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 31 Computação quântica Usando spins 32 Partículas quânticas Partícula clássica Partícula Quântica T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 33 Bits quânticos Wikipedia: “bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação. Bits clássicos: 13= 23 + 0x22 + 21 + 20 0 1 1 0 1 1 Bits quânticos: 0 1 T. G. Rappoport 1 2 2 Top. Física Contemporânea 34 Estados do spin como qubits + T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 35 Caixa de um único elétron Loss & DiVicenzo, PRA 57, 120 (1998) QuickTime™ and a TIFF (LZW) decompressor are needed to see this picture. •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 36 Spintrônica com semicondutores Avanços ? Nature Physics 3, 153 - 159 (2007) T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 37 Grupo de pesquisa • • • • Raimundo R. dos Santos Thereza Paiva Paulo Farinas Tatiana Rappoport • Spintrônica, supercondutividade, magnetismo etc. Alunos são bem vindos! T. G. Rappoport Top. Física Contemporânea 38 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 39 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 40
