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SPINTRÔNICA: Receita para Correntes de Spin

segunda-feira, 20 de outubro de 2008

O domínio da spintrônica – a eletrônica com o spin – procura explorar o spin dos elétrons nos metais e semicondutores a fim de realizar tarefas que, atualmente, são rotineiramente realizadas pelo transporte da carga dos elétrons.(ver “Spintrônica: Catracas de Spin”)

A spintrônica oferece um caminho promissor para alcançar novas reduções tanto nas dimensões quanto no consumo de energia dos dispositivos de estado sólido.

Nos últimos anos, muitas experiências engenhosas têm procurado desvendar os princípios básicos que governam a criação e a manipulação das correntes de spin: o fluxo de elétrons com polarização efetiva de spin.

Em uma pesquisa inédita, a equipe de Uchida introduz o “Efeito Seebeck para Spin” como uma maneira sobretudo elegante de gerar correntes de spin a partir de uma fonte de tensão de spin, a qual pode ser aplicada e mantida até a distância de aproximadamente 1 centímetro à temperatura ambiente.

O conhecido Efeito Seebeck refere-se ao aparecimento de uma tensão elétrica quando as extremidades de um fio, eletricamente isolado, são colocadas em diferentes temperaturas (Fig. 1A).

O gradiente de temperatura produz um fluxo de corrente que é transportada pelos elétrons para a extremidade com menor temperatura.

Como o fio está eletricamente isolado, há um fluxo invertido de elétrons impulsionado por um gradiente finito no potencial químico, μ, a energia dos elétrons mais energéticos no fio.

A situação é análoga a usar um ventilador para amontoar água em uma lateral de um aquário: o curso de água superficial na direção do vento é equilibrado por um fluxo oposto impulsionado pelo gradiente de pressão na água.

No estado estacionário, o nível de água no tanque – análogo a função do potencial químico μ – tem um perfil inclinado.

Do mesmo modo, o potencial químico μ exibe um perfil inclinado em um gradiente de temperatura (Fig. 1A) e a tensão observada é a diferença no potencial químico μ nas duas extremidades do fio.

Essa tensão termelétrica pode ser usada para gerar eletricidade e é uma fonte vital de energia para os satélites espaciais.

O efeito inverso, conhecido como o Efeito Peltier, é utilizado para resfriar os materiais variando desde micro chipes até vinhos raros.

O resultado completo dessa pesquisa deve ser lido em:

Uchida, K. et al. Nature 455, 778–781 (Out. 2008).

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SPINTRÔNICA: Filtros para Spin

quinta-feira, 16 de outubro de 2008

A spintrônica – uma tecnologia emergente que explora o comportamento dos elétrons com spins ‘para cima’ (’spin-up’) e ‘para baixo’ (’spin-down’) – promete melhorar o seu desempenho e a funcionalidade para a próxima geração de dispositivos de estado sólido.(ver “Spintrônica: Catracas de Spin”)

Os filtros para spin – que permitem a passagem de elétrons com apenas uma orientação para os spins – são particularmente importantes componentes da spintrônica.

A equipe de Zhengxiang Gao na Universidade de Pequim, aplicou a teoria do funcional da densidade (DFT, do inglês) para investigar o potencial de utilização de materiais orgânicos para fabricar os filtros para spin.

Os materiais semi-metálicos (half metal) – que permitem a condução de elétrons com os spins em certa direção, mas se comportam como isolantes para os elétrons com spins na direção oposta – são conhecidos por serem bons candidatos para fabricar filtros para spin.

A sugestão é que um fio unidimensional (ver imagem) contendo átomos de metais – tais como o vanádio (marcado em vermelho) e o ferro (marcado em branco) – amontoados entre moléculas aromáticas – tais como o benzeno e o ociclopentadienil (marcado em cinza) – poderia ser um semi-metal orgânico.

Usando a teoria DFT, os pesquisadores previram que os fios que contêm apenas íons de vanádio apresentam comportamento de material semi-metálico, mas aqueles fios que contêm vanádio e ferro são semicondutores.

Quando os fios estão acoplados a eletrodos de ouro nas duas extremidades, no entanto, os fios de ciclopentadienil apenas com vanádio ou alternando vanádio e átomos de ferro, podem se tornar filtros para spin altamente eficazes.

Os pesquisadores também mostraram que os fios meio-metálicos que não contém ferro são melhores filtros de spin do que os fios semicondutores contendo ferro.

A leitura completa dessa experiência pode ser feita em:

Wang, L. et al. Novel one-dimensional organometallic half metals: Vanadium-cyclopentadienyl, vanadium-cyclopentadienyl-benzene, and vanadium-anthracene wires. Nano Lett. (2008).

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SPINTRÔNICA: Catracas de Spin

sábado, 2 de agosto de 2008

Uma maneira de gerar e de controlar as correntes de spin sem campos magnéticos ou materiais magnéticos, pode ser possível usando as catracas quânticas dissipativas, na presença do acoplamento spin-órbita.

Os dispositivos eletrônicos com comportamento não linear – nos quais a corrente elétrica não é diretamente proporcional a voltagem elétrica, segundo a relação de Ohm – são muito importantes na eletrônica moderna.

O mais comum e simples desses dispositivos é a junção p-n – na qual a separação espacial de cargas elétricas positivas (região p) e negativas (região n) cria uma diferença de energia elétrica de tal modo que permite intensa corrente elétrica no sentido p do circuito, mas controla o fluxo de cargas elétricas no sentido n oposto.

Esse comportamento – chamado de retificador – permite a ampla aplicação da junção p-n na produção de sinais elétricos, inclusive na conversão de corrente alternada em corrente contínua.

Em escala nanométrica, semelhantes comportamentos de transporte assimétrico de elétrons ou outras partículas podem ser produzidos com as ‘catracas quânticas‘, na quais os potenciais periódicos assimétricos facilitam o movimento em certo sentido, mas dificultam no sentido oposto (veja Fig. 1a).

Quando um elétron se move, transporta consigo não só a carga elétrica como também o spin, ou seja, um momentum angular intrínseco.

Ultimamente, considerável atenção tem sido focada sobre o campo da eletrônica do transporte de spin, ou “spintrônica“, que tenta desenvolver novas funcionalidades para dispositivos eletrônicos, centrando-se na corrente produzida pelo movimento organizado de spins, e não só da corrente produzida pelo movimento organizado das cargas elétricas.

Um avanço potencialmente importante para o uso prático desses dispositivos está apresentado no trabalho de Sergey Smirnov e colaboradores que prevê uma retificação híbrida, na qual uma corrente elétrica alternada produz uma corrente contínua de spin em uma catraca de spin não magnética e na ausência de campos magnéticos.

Gerar corrente de spin com corrente de carga elétrica em material magnético já é um processo totalmente dominado.

Uma corrente elétrica inicialmente não polarizada ao atravessar um material magnético, será transformada – através de mútuos processos de espalhamento (spin-flip) – em uma corrente com spin polarizado.

Em um dispositivo conhecido como o diodo de spin, uma corrente de spin contínua também pode ser produzida utilizando uma corrente elétrica alternada.

Nesse dispositivo, uma parede de domínio magnético separa duas regiões com magnetizações opostas, de tal modo que o potencial que atua sobre os portadores com spin para cima (spin-up) é oposto àquele que atua sobre os portadores com spin para baixo (spin-down).

Assim, em um diodo de spin, apesar da corrente de carga alternar em resposta a uma voltagem alternada aplicada, a corrente de spin é retificada.

Também é possível construir um dispositivo tipo catraca híbrido se de algum modo puderem ser gerados dois potenciais tipo catraca independentes para os dois sentidos da corrente de spin: spin para cima sendo transportado em sentido oposto ao spin para baixo (ver fig. 1b).

Isso poderia ser feito com material de engenharia utilizando materiais magnéticos, ou alternativamente, através da aplicação de campo magnético não homogêneo em um semicondutor não magnético.

Mas, ainda assim, tendo em vista as implementações práticas, um dispositivo que funciona sem quaisquer materiais magnéticos ou campos magnéticos é muito atraente.

OBS: Trabalho publicado por Smirnov, S., Bercioux, D., Grifoni, M. e Richter, K., Phys. Rev. Lett. 100, 230601 (2008).

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SPINTRÔNICA: Reviravolta do Silício (Parte 1)

sábado, 28 de junho de 2008

Durante décadas, o silício - pelas propriedades óticas e elétricas de semicondutor – tem sido o material dominante na eletrônica convencional à base do transporte de carga elétrica.

Uma reviravolta nas pesquisas está fazendo o silício reunir as condições para entrar no domínio da spintrônica, onde a nova moeda é o spin do elétron.

Os computadores modernos apresentam sérios desafios para a eletrônica convencional baseada na tecnologia do silício.

A crescente demanda sobre a velocidade dos processadores, a capacidade das memórias de armazenamento de dados e a potência de consumo estão forçando os pesquisadores a adentrar em territórios ainda não explorados para melhorar o desempenho desses dispositivos.

No âmbito destas iniciativas, APPELBAUM e sua equipe apresentam um desenvolvimento possivelmente decisivo: a primeira demonstração do transporte e manipulação coerente dos spins dos elétrons no silício.

Na eletrônica de spin, ou spintrônica, a informação é representada pelo spin e pela direção da correspondente magnetização.

Os materiais ferromagnéticos, tais como o ferro ou o cobalto, têm uma magnetização finita, porque a maior parte dos spins dos elétrons estão orientados no mesmo sentido ou em sentido oposto ao eixo de magnetização, dependendo do material.

Essa direção da magnetização persiste sem ação externa, e, portanto, é estável.

Por esse motivo, muitas aplicações da spintrônica baseadas em nanoestructuras de metais ferromagnéticos – tais como os discos rígidos magnéticos e, mais recentemente, as memórias magnéticas de acesso aleatório (MRAMs) – já mostraram o alcance comercial.

Porém há outras aplicações – tais como a lógica reprogramável – em que a spintrônica ainda não conseguiu superar muitas dificuldades.

Para que isso aconteça, a spintrônica tem que conquistar o silício – material abundante, barato e entrincheirado na eletrônica convencional para os semicondutores.

Supõe-se que o spin dos elétrons do silício consegue sobreviver por tempo suficientemente longo para permitir a persistência da informação “spin-codificada”.

Desse modo, os dispositivos à base de silício poderiam oferecer melhorias significativas nos transistores de spin propostos e nos esquemas de computação quântica fundamentados na spintrônica.

No entanto, a demonstração dos ingredientes básicos da spintrônica – a injeção de spin, o transporte de spin, a manipulação e a detecção de spin – tem sido difícil de realizar no silício.

Então porque o silício resistiu durante tanto tempo, quando outros semicondutores – tais como o arseneto de gálio (GaAs) usado na eletrônica de telefonia celular – se revelaram mais adequados?

Veremos isso na próxima parte.

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