UFRJ Pós-graduação em Física
• Física de Partículas Elementares e Campos• Física Nuclear e Hadrônica• Astrofísica e Cosmologia• Física Atômica, Molecular e Óptica• Física da Matéria Condensada
Universidade Federal do Rio de JaneiroPós-graduação em FísicaINSCRIÇÃODo dia 01 de outubro ao dia 14 de novembroMestrado: Serão aceitos candidatos graduados em Física ou áreas afins e graduandos que comprovarem a conclusão do curso em época compatível com o calendário do Instituto de Física da UFRJ.Doutorado: Serão aceitos candidatos que concluíram o Mestrado em Física, mestrandos que tenham completado os créditos necessários e graduados que se candidatem ao doutorado direto.
Mestrado e Doutorado: O exame de seleção constará de: I - prova escrita, II - exame de língua estrangeira, III - entrevista pessoal e/ou por escrito.Poderão solicitar dispensa da prova escrita os candidatos que apresentarem comprovação do título de mestre ou que comprovarem a defesa da tese de mestrado em época compatível com o calendário do IF-UFRJ. Existe a possibilidade de aplicação de provas em outros estados ou países mediante justificativa do candidato.O conteúdo da prova escrita abrangerá conhecimentos do ciclo básico do Curso de Física. Biliografia sugerida:• Halliday D, Resnick R e Krane KS, Física, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. LTC;• Nussenzveig M, Curso de Física Básica, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. Edgard Blucher.
Áreas de Pesquisa:O programa de pós-graduação da UFRJ possui conceito 7 na avaliação da CAPES. Oferece bolsas da CAPES e do CNPq, além da possibilidade de bolsas concedidas diretamente aos pesquisadores e bolsas CLAF e FAPERJ
www.if.ufrj.br/~pos/pos.html
PROCESSO SELETIVO
1Tuesday, October 14, 2008
Mini-curso de Spintrônica
V Escola de Matogrossense de Física
Tatiana G. Rappoport UFRJhttp://www.if.ufrj.br/~tgrappoport
2Tuesday, October 14, 2008
3
I. IntroduçãoII. BackgroundIII. Spintrônica em metaisIV. Spintrônica em semicondutores
– Geração de spins– Detecção de spins– Injeção de spins– Relaxação de spins
V. Computação quântica com spins– Introducão à computação quantica – Utilizando pontos quânticos para a CQ.
3Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 5
De volta aos anos 60
Feynman deu sua famosa apresentação em 29 de Dezembro de 1959 no encontro anual da American Physical Society:
There's Plenty of Room at the BottomAn Invitation to Enter a New Field of Physics
”ultimately---in the great future---we can arrange the atoms the way we want; the very atoms, all the way down! What would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them”
Provalelmente o início da nanotecnologia
5Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 8
Poços quânticos
Poço quântico Heterostrutura
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V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 9
Fios quânticos
NanotubosNanofios
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V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 10
Pontos quânticos
Ponto quântico auto-organizado
Ponto Quântico eletricamente confinado
10Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 11
Pontos quânticos
Pontos Quânticos coloidais
11Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport
Nature Biotechnology 22, 198 - 203 (2004)
12Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 13
Alguns dados da Intel
13Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 14
Spintrônica e nanotecnologia
• Nós já produzimos em escala nanoscópica.
• Mas estamos usando nanotecnologia?
• Nem sempre. Não se trata apenas de escala.
• Precisamos de nano-dispositivos que executem diversas funções
• Dispositivos e materiais multifuncionais.
Spintrônica
14Tuesday, October 14, 2008
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.
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 15
Eletrônica
15Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 16
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:
Papel fundamental dos dispositivos baseados em semicondutores, como transistores e diodos.
• Resistores • Capacitores
• Diodos • Transistores
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V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 17
Novidades na eletrônica
• O grafeno e seus elétrons relativísticos (2005)
• Velocidades de v ~106 m/s
• Massa efetiva mef0
• Carbono x Silício?
AFM
17Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 18
Elétrons e o spin
Spin: Momento angular intrínsico(propriedade puramente quântica)
•Elétrons tem spin 1/2.•Spin → Magnetismo
18Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 19
Spintrônica
• Os principais objetivos da spintrônica são
• O controle elétrico de propriedades magnéticas
• Controle magnético de propriedades elétricas
• Existem muitas aplicações para isso!
Utiliza spin e carga dos elétrons (ou partículas similares)
Electrônica com spins
19Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 20
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?
20Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 21
Mas já chegamos lá…
• Leitura de dados no disco rígido
http://www.research.ibm.com/research/gmr.html
21Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport
Prêmio Nobel de Física 2007
The Nobel Prize in Physics 2007"for the discovery of Giant Magnetoresistance"
Albert Fert Peter Grünberg
22Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 23
Magnetorestência Gigante (GMR)
Eletrodo
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rR
Condutor
Eletrodo
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Eletrodo
r
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Eletrodo
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Grande resistência equivalente
Pequena resistência equivalente
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23Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 24
Válvulas de spin e a leitura
• Spintrônica em metais magnéticos!
24Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 25
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
Spin-torque:
25Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport
Spintrônica em metais
• Magnetoresistência Gigante (GMR)
• Tunelamento dependente de spin (GMR)
• Transferência de Spin (spin-torque)
26Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 27
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
27Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 30
Injeção eficiente de spins
Não magnéticoMagnético
30Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 31
Injeção de spins
Forma de medir a eficiência:Polarização de Spin
€
P =n↑ −n↓
n↑ + n↓
31Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 33
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.
33Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 34
Semicondutores magnéticos (DMS)
Mais famoso (1997): Ga1-xMnxAs
• Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn)
34Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 36
Epitaxia por feixe molecular (MBE)
36Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport
Epitaxia por feixe molecular (MBE)
http://www.nanowerk.com/nanotechnology/videos/videos.php
37Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 38
Qual o mecanismo do magnetismo?
Interação indireta mediada por cargas
cortesia M. Berciu
38Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 40
Relaxação lenta dos spins
tr~1ns
dr~1µm
P
40Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 41
Semicondutores: um sucesso
Kikkawa, D.D. Awschalom, Nature (1999)
Polarização de spin gerada por luz circularmente polarizada
41Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 43
Detecção confiável de spin
↑P=1!
→ P=0!
43Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 44
Algumas técnicas de detecção
• Transporte eletrônico
• Efeito Hall anômalo
• Efeito túnel dependente do spin
• Medidas óticas
• Dicroísmo circular
• Spin LED
• Rotação Faraday
• Fotoluminescência
44Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 45
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
45Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 47
Computação do Feynman
• Fato: Muitos problemas quânticos não são resolvidos de forma eficiente por computação clássica (requerem uma quantidade exponencial de recursos).
• Feynman em 1982: Utilizar computadores quânticos para resolver problemas quânticos!
• e.. alguns problemas tradicionais, como a fatorização de números muito grandes, também não são resolvidos de forma eficiente com a computação clássica.
• Mas o que a física tem a ver com isso?
• O computador é algo físico! Então, vamos usar a física para definit uma nova máquina mais poderoza.
47Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 48
Partículaclássica
PartículaQuântica
Partículas quânticas
48Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 49
Bits quânticos
Wikipedia: “bit é a unidade mais básica de informação utilizada em computação e teoria da informação.
0 1Bits clássicos:
13= 23 + 22 + 0x21 + 20 1 0 1 1→
€
ψ = α 0 + β 1
Bits quânticos:
€
α2
+ β2
=1
49Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 50
Estados do spin como qubits
+
50Tuesday, October 14, 2008
V Escola Matogrossense de FísicaTatiana G. Rappoport 51
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
51Tuesday, October 14, 2008
UFRJ Pós-graduação em Física
• Física de Partículas Elementares e Campos• Física Nuclear e Hadrônica• Astrofísica e Cosmologia• Física Atômica, Molecular e Óptica• Física da Matéria Condensada
Universidade Federal do Rio de JaneiroPós-graduação em FísicaINSCRIÇÃODo dia 01 de outubro ao dia 14 de novembroMestrado: Serão aceitos candidatos graduados em Física ou áreas afins e graduandos que comprovarem a conclusão do curso em época compatível com o calendário do Instituto de Física da UFRJ.Doutorado: Serão aceitos candidatos que concluíram o Mestrado em Física, mestrandos que tenham completado os créditos necessários e graduados que se candidatem ao doutorado direto.
Mestrado e Doutorado: O exame de seleção constará de: I - prova escrita, II - exame de língua estrangeira, III - entrevista pessoal e/ou por escrito.Poderão solicitar dispensa da prova escrita os candidatos que apresentarem comprovação do título de mestre ou que comprovarem a defesa da tese de mestrado em época compatível com o calendário do IF-UFRJ. Existe a possibilidade de aplicação de provas em outros estados ou países mediante justificativa do candidato.O conteúdo da prova escrita abrangerá conhecimentos do ciclo básico do Curso de Física. Biliografia sugerida:• Halliday D, Resnick R e Krane KS, Física, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. LTC;• Nussenzveig M, Curso de Física Básica, vols. 1, 2, 3 e 4, Ed. Edgard Blucher.
Áreas de Pesquisa:O programa de pós-graduação da UFRJ possui conceito 7 na avaliação da CAPES. Oferece bolsas da CAPES e do CNPq, além da possibilidade de bolsas concedidas diretamente aos pesquisadores e bolsas CLAF e FAPERJ
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PROCESSO SELETIVO
52Tuesday, October 14, 2008
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