Mecânica Quântica e Nanotecnologia
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Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mecânica Quântica e Nanotecnologia 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Resumo • MECÂNICA QUÂNTICA • Luz • Matéria • Relações de Incerteza • Efeito Túnel • Spin do Electrão • NANOTECNOLOGIA • Introdução • Nanoescala • APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS • Nanociência • Discos de Gravação Magnética • Nanotecnolgia • Sensores Magnetoresistivos • Cabeças de Leitura • Válvulas de spin • Junções de Efeito Túnel • BioSensores 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Efeito Túnel Física Clássica Física Quântica 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Efeito Túnel Física Clássica Barreira Partícula Física Quântica Partícula não consegue atravessar a barreira Onda pode ser reflectida na parede…ou parte transmitida através da barreira 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Efeito Túnel Dualidade ONDA-PARTÍCULA dos electrões Mecânica Quântica Efeito túnel é de natureza ondulatória Quando um electrão (onda) embate na Diminui rapidamente barreira, a onda não acaba abruptamente (modo exponencial) Parte da onda atravessa a barreira; podem aparecer electrões do outro lado A onda não passa Existe uma PROBABILIDADE de o electrão atravessar a barreira de potencial Barreira fina (~nm) Barreira larga 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Spin do Electrão Electrões tem um movimento de rotação em torno do seu eixo Carga em movimento Corrente no sentido do movimento Origina um campo magnético (dipolo) Spin do electrão É apenas um conceito quântico sem analogia clássica! 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Magnetização N eS 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia INTRODUÇÃO À NANOTECNOLOGIA 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia O Futuro em 1959… No dia 29 de Dezembro de 1959 Richard P. Feynman “ There’s Plenty of Room at the Bottom” Em 1989, Don Eigler escreveu logótipo da empresa com 35 átomos de xénon “The"At principles the atomic of physics, level, weashave far as new I can kinds see, of do forces not speak and new against kindsthe of “Why cannot we write the entire volumes of the possibility possibilities, of maneuvering new kindspor things ofFeynman effects. atom !by Theatom. problems It is not of an manufacture attempt to Manipulou átomo a átomo como previsto Encyclopedia Britannica on the head of a pin?” violate andany reproduction laws; it is something, of materialsinwill principle, be quitethat different.” can be done”. 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia O que é NANO… Deriva do grego, significa anão Nano 1 nm = 10-9 m Objectos à nanoescala têm, pelo menos, uma dimensão de tamanho nanométrico Quão pequena é esta nanoescala 3-5 Setembro 2007 Escola de Física ? Mecânica Quântica e Nanotecnologia Video Nanoescala Nanoescala 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanociência Dimensões físicas são críticas Abaixo dos 100 nm de tamanho os nano-objectos podem exibir comportamentos exóticos Propriedades físicas e químicas diferentes das macroscópicas Dependentes do tamanho Confere-lhes grande potencial para aplicações 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanociência Silver and Gold particles have different colors depending on size and shape. © Northwestern University 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanociência Escala nanométrica Não se aplicam as leis Clássicas da Física Domínio da Mecânica Quântica Para além das propriedades dos próprios nano-objectos serem alteradas: O alcance das interacções entre eles pode exceder a sua dimensão Originando novos fenómenos físicos Filmes Finos Dão origem novas e surpreendentes aplicações tecnológicas 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanotecnologia Química Nanotecnologia Física Medicina Biologia 3-5 Setembro 2007 Engenharia Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Nanotecnologia Nanocristais Nanocápsulas Nanoengrenagens Materiais Nanoestruturados Nanocompositos Nanotubos Nanopartículas Multidisciplinar 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Materiais Nanoporosos Mecânica Quântica e Nanotecnologia APLICAÇÕES (NANO)TECNOLÓGICAS 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Discos de Gravação Magnética 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Discos de Gravação Magnética Sensor activo de leitura e gravação Cabeça de leitura e gravação magnetica 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Cabeças de Leitura Sensores MAGNETORESISTIVOS Variação da resistência eléctrica com o campo magnético externo Spin Comportamento surge das propriedades quânticas dos electrões Dispositivos Magnetoresistivos: Válvulas de Spin e Junções de Efeito Túnel 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Válvulas de Spin - O que são! Empilhamento de camadas de material muito finas (ordem de dezenas nanómetros) Camada de protecção (2 nm) ? Camada de Fixação (7 nm) Camada Magnética Fixa (2 nm) Espaçador Não Magnético (2 nm) Camada Magnética Livre (5 nm) Camada de Adaptação (2 nm) e- Corrente no plano dos filmes finos! 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Substrato Mecânica Quântica e Nanotecnologia Válvulas de Spin – como funcionam! Campo Geometria Magnético CIPExterno Movimento dos electrões Camada Magnética Livre Espaçador Contacto Eléctrico Condutor Não Magnético Camada Magnética Fixa Contacto Eléctrico FIXA Resistência SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS 1E0 Campo Magnético 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Válvulas de Spin – como funcionam! Electrões com spin r,r R rr r 2 R,R R RR R 2 ↑ e ↓ canais de condução em paralelo 1 LIVRE FIXA 3-5 Setembro 2007 RTOTAL rR 1 1 r r R r R Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Válvulas de Spin – como funcionam! Efeito Magnetoresitência Gigante ~10% R r R r,R 2 GMR Rantiparalelo Rparalelo Rr RR R estruturas ,r 2 paralelo Mesmo macroscópicas exibem magnetoresistência ↑ e ↓ canais de condução em paralelo Escola de Física LIVRE 3-5 Setembro 2007 Rparalelo < Ranti-paralelo FIXA LIVRE FIXA RPARALELO r 1 Efeito Gigante surge apenas em 1 1 rR RTOTAL nanoestruturas Rr Rr 4 dos Causada por 2 uma 2dispersão electrões dependente do spin RANTIPARALELO Rr 4 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Leitura Magnética com Válvulas de Spin Leitura de Bits magnéticos com uma válvula de spin 3-5 Setembro 2007 Escola de Física LIVRE FIXA Bits Magnéticos Gravados Longitudinalmente Mecânica Quântica e Nanotecnologia Leitura Magnética com Válvulas de Spin Sinal 1 0 1 0 0 LIVRE FIXA Escola de Física LIVRE 3-5 Setembro 2007 FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA LIVRE FIXA Não sente campo 0 Tempo Mecânica Quântica e Nanotecnologia Problemas… Bits magnéticos cada vez mais pequenos! Necessária uma maior sensibilidade na leitura Junções de Efeito Túnel 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel - o que são! Empilhamento de camadas de material muito finas (ordem de dezenas nanómetros) Camada de Fixação (7 nm) Camada Magnética Fixa (2 nm) Camada Isoladora (~ 1 nm) Camada Magnética Livre (5nm) Camada de Adaptação (2nm) Isolador Substrato 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Eléctrodo de Baixo Semelhantes às válvulas de spin mas com uma camada isoladora no lugar do espaçador condutor! Eléctrodo de Cima Camada de protecção (2 nm) Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel vs Válvulas de Spin Corrente no plano do sensor: geometria CIP Corrente CAMADA LIVRE ESPAÇADOR CONDUTOR CAMADA FIXA ELECTRODO ELECTRODO Corrente perpendicular ao plano do sensor: geometria CPP Corrente ELECTRODO CAMADA LIVRE ISOLADOR CAMADA FIXA ELECTRODO 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel – como funcionam! Camada isoladora muito fina Electrões (onda-partícula) podem atravessá-la A barreira é atravessada por electrões com determinado spin Magnetoresistência por Efeito Túnel Corrente ELECTRODO CAMADA LIVRE ISOLADOR CAMADA FIXA ELECTRODO 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Junções de Efeito Túnel – como funcionam! Como nas Válvulas de Spin, efeito dependente do spin do electrão Camada Livre Camada Fixa Resistência SENSOR DE CAMPO MAGNÉTICO COM DOIS ESTADOS DISTINGUÍVEIS 1E0 Campo Magnético No entanto… TMR ~ 100-400% ~20 vezes superior às Válvulas de Spin Maior SENSIBILIDADE adequada a bits cada vez mais pequenos, ou seja sinais mais fracos! 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mais Longe… Maior densidade de gravação de dados Bits mais pequenos Em cada vez menor espaço 200 180 Para bits muito pequenos (~10 nm) Densidade de Gravação nos Discos Magnéticos 160 140 Energia necessária para alterar a direcção do momento magnético é da mesma ordem da energia térmica à temperatura ambiente 100 Areal Density 2 (Gbits/in ) 120 Etermica 80 60 1 k BTambiente 2 40 Perdem 20 a capacidade de manter a orientação da magnetização 0 1990 1991 1992 1993 1994 1995 Ou seja, perdem a informação armazenada 1996 1997 1998 1999 2000 2001 Ano Limite SUPERPARAMAGNÉTICO 3-5 Setembro 2007 Escola de Física 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Mecânica Quântica e Nanotecnologia Mais Longe… Limite SUPERPARAMAGNÉTICO Solução ? Gravação perpendicular! Bits mais próximos (mais profundos!) logo maior capacidade de armazenar dados 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Outras Aplicações - BioSensores MR Molécula a detectar Como ligar a molécula ao sensor ? Funcionalização do sensor Através de biomoléculas complementares Chave-fechadura Molécula a detectar Marcador magnético Funcionalização Marcador Magnético Superfície de Sensor Funcionalizado CAMADA LIVRE ESPAÇADOR CAMADA FIXA ELECTRODO 3-5 Setembro 2007 Válvula de Spin Escola de Física ELECTRODO Mecânica Quântica e Nanotecnologia Outras Aplicações - BioSensores MR Campo criado pelos marcadores magnéticos Altera a magnetização da camada livre Alteração do estado da Válvula de Spin CAMADA LIVRE ESPAÇADOR CAMADA FIXA ELECTRODO ELECTRODO A resistência do sensor varia quando as moléculas com nanopartículas magnéticas ficam aprisionadas 3-5 Setembro 2007 Escola de Física Mecânica Quântica e Nanotecnologia Obrigada Video 12um 3-5 Setembro 2007 Escola de Física
