Spintrônica - Instituto de Física / UFRJ

Spintrônica
Uma palestra introdutória
Tatiana G. Rappoport
http://www.if.ufrj.br/~tgrappoport
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Linhas gerais
•
•
•
•
•
A eletrônica
O spin
Spintrônica em metais magnéticos
Spintrônica em semicondutores
Spintrônica e computação quântica
T. G. Rappoport
Top. Física Contemporânea
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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.
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Fluxo de elétrons
• Alguns dispositivos para controle do fluxo:
• Resistores
• Diodos
• Capacitores
• Transistores
• Papel fundamental dos dispositivos baseados em
semicondutores, como transistores e diodos.
(seminários de Belita e Maurício)
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Novidades na eletrônica
AFM
• 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
r r
Fm = −ev × B
Um momento magnético µ se
alinha com um campo B
=
µ = IA
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€
N
S
B
N
S
r r
τ = µ×B
r r
U = −µ ⋅ B
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Experimento de Stern-Gerlach(1922)
• Um feixe de átomos de prata se divide em dois
quando passa por um campo magnético:
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http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html
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Experimento de Stern-Gerlach
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Experimento de Stern-Gerlach
Bola carregada em rotação?
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Spin
• Spin: Momento angular intrínseco S
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Sz = ± h
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• Propriedade do elétron, como massa e carga
• Momento magnético µ associado a S
– Elétron se comporta como€
um pequeno imã
r r
U = − µ ⋅ B = − µz B
• Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana +
exclusão de Pauli (seminário
Érica)
€
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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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Prêmio Nobel de Física 2007
The Nobel Prize in Physics 2007
"for the discovery of Giant Magnetoresistance"
Albert Fert
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Peter Grünberg
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Magnetorestência Gigante (GMR)
Eletrodo Positivo
R
FM
Resistência
resultante
r
GRANDE
Condutor -NM
e
r
e
FM
R
Eletrodo Negativo
r
Resistência
resultante
PEQUENA
Eletrodo Positivo
FM
e
r
Condutor -NM
R
e
FM
R
Eletrodo Negativo
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Válvulas de spin e a leitura
• Spintrônica em metais magnéticos!
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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.
M1
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M2
•Forma de gravação de memória
magnética!
•Efeito similar em paredes de domínios
(Seminário da Elis)
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Vórtices magnéticos
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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 spintrônica
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Injeção de spin
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Injeção eficiente de spins
Magnético
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Não magnético
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Injeção de spins
Forma de medir a eficiência:
Polarização de Spin
n↑ − n↓
P=
n↑ + n↓
€
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Injeção de spins
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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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Epitaxia por feixe molecular
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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
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Relaxação lenta dos spins
P
tr~1ns
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dr~1µm
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Relaxação de spin
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Semicondutores: um sucesso
Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)
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Detecção do spin
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Detecção confiável de spin
→
↑
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P=0!
P=1!
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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 quântica
Usando spins
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Partículas quânticas
Partícula
clássica
Partícula
Quântica
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Bits quânticos
Wikipedia: “bit é a unidade mais básica de
informação utilizada em computação e teoria
da informação.
Bits clássicos:
0
13= 23 + 22 + 0x21 + 20
1
→
1 0 1 1
Bits quânticos:
2
α + β =1
ψ =α 0 +β1
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2
€
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Estados do spin como qubits
+
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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
Avanços
?
Nature Physics 3, 153 - 159 (2007)
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Spintrônica com grafeno?
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Grupo de pesquisa
• Raimundo R. dos Santos
• Thereza Paiva
• Tatiana Rappoport
• Spintrônica, supercondutividade, magnetismo
etc.
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
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