Tatiana G. Rappoport

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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

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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
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

Um momento magnético ??se alinha com um campo 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
• Se

5s1
http//hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.ht
ml
Bola carregada em rotação?
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Spin

• Spin Momento angular intrínseco S
• Propriedade do elétron, como massa e carga
• Momento magnético ? associado a S
• Elétron se comporta como um pequeno imã
• Responsável pelo magnetismo repulsão Coulombiana
  exclusão de Pauli (seminário Thereza e 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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Magnetorestência Gigante (GMR)
Resistência resultante GRANDE
Resistência resultante PEQUENA
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Válvulas de spin e a leitura

• Spintrônica em metais magnéticos!

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Novidades em metais magnéticos
Spin-torque

• 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)

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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
Não magnético
Magnético
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Injeção de spins
Forma de medir a eficiência Polarização de Spin
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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)

• 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

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Relaxação lenta dos spins
P
tr1ns
dr1?m
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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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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.
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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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Grupo de pesquisa

• Raimundo R. dos Santos
• Thereza Paiva
• Paulo Farinas
• 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.how
stuffworks.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