Eletrônica na Onda do Spin - x encontro de física do ita

Transcrição

Ronaldo Rodrigues Pelá
Grupo de Pesquisa (ITA)
Pessoas
Trabalhos de pesquisa
Spintrônica
Motivação
Conceitos
Dispositivos
10/2/2010
Ronaldo R. Pelá - V EVFITA
2
Professores
Doutorado
Dra. Lara K. Teles
Ronaldo R. Pelá
Dr. Marcelo Marques
Octávio P. Silva Filho
Ronaldo R. Pelá
Pós-Doc
Mestrado
Tiago Ávila
Dr. Clóvis Caetano
IC
Mayara Bonani
Sidney C. B. Santos Filho
10/2/2010
3
Colaboradores
Sandro Martini (USJT)
Luiz Guimarães Ferreira (IF-USP)
Jürgen Furthmüller (Jena/Alemanha)
Friedhelm Bechsted (Jena/Alemanha)
Laboratório de Guerra Eletrônica (ITA)
10/2/2010
4
Trabalho teórico: Simulação
Materiais semicondutores
Ligas
Dispositivos
Optoeletrônica
10/2/2010
Spintrônica
5
Simulação de materiais semicondutores
Materiais
Semicondutores
Condutores
Isolantes
10/2/2010
6
Propriedades intermediárias:
Condutores e Isolantes
Semicondutores
Propriedades elétricas podem
ser controladas
Impurezas
Dispositivos
Tensão de Controle
10/2/2010
7
Ab initio
Átomos
Mecânica
Quântica
Propriedades
Estrutura
cristalina
10/2/2010
Termodinâmica
Estruturais
Ópticas
Eletrônicas
Param.rede
Gap direto
Gap
Estr.bandas
8
Ligas
Material
A
Material
B
Fração: x
Fração: 1-x
Liga
AxB1-x
Propriedade P
10/2/2010
9
Ligas
Motivação tecnológica
Semicondutores magnéticos
Keavney et al. Phys. Rev. Lett. 95, 257201(2005)
h-InN corrente
10/2/2010
10
Ligas
Principal interesse: III-V
▪ AlxGa1-xN, InxGa1-xN
Semicond. magnéticos
▪ AlxMn1-xN, GaxMn1-xN
Propriedades
Magnéticas
Termodinânicas
Estruturais
Ópticas
10/2/2010
Eletrônicas
11
Dispositivos
Poços Quânticos
Transistores
Pontos Quânticos
10/2/2010
12
LDA-1/2
Ótimo acordo
Teoria e experimento
Gap Calculado (eV)
Novo método para cálculo do gap
Cálculo
perfeito
Gap Experimental (eV)
10/2/2010
13
Alguns trabalhos recentes
10/2/2010
14
10/2/2010
15
10/2/2010
16
O que é Spintrônica?
Spin
Spintrônica
Eletrônica
Nome spintrônica foi dado em 1996 por Wolf a
uma das linhas de pesquisa da DARPA que tratava
de novos materiais e dispositivos magnéticos
Zutic et al., Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004)
10/2/2010
17
Eletrônica
Estuda o uso de circuitos
formados por
componentes elétricos e
eletrônicos
Objetivo: representar,
armazenar, transmitir ou
processar informações e
controlar processos.
10/2/2010
18
Eletrônica
Controle da tensão
Funcionamento de qualquer circuito
Controle da corrente
Carga do elétron
Eletrônica
10/2/2010
19
Eletrônica
Grande revolução
1947
1960’s
10/2/2010
1958
1956
2008
20
Eletrônica
Grande impacto na vida moderna
10/2/2010
21
Eletrônica
10/2/2010
22
Eletrônica
Saturação da tecnologia
10/2/2010
23
Eletrônica
Saturação da tecnologia do silício
“Por volta de 2015, a tecnologia da spintrônica
poderá ser a única capaz de fazer dispositivos
eletrônicos menores e mais eficientes – por essa
época, os materiais semicondutores, como o Silício,
terão esgotadas suas capacidades de
miniaturização”.
Depto. de Comércio e Indústria do Reino Unido, DTI Global Watch Magazine, jul/ago-2005
10/2/2010
24
Eletrônica
Miniaturização
▪ Limite físico: átomo
▪ Problemas
▪ Potência dissipada
▪ Corrente de fuga
▪ Troca de calor
10/2/2010
Spintrônica
25
Por que explorar o spin?
Vantagens da Spintrônica
Contribuições da Spintrônica
Armazenamento
e processamento
de dados
Computação
Quântica
Microeletrônica
Sensores
automotivos
J. Fabian et al. Phys. Rev. B 66, 165301 (2002)
10/2/2010
26
GMR
Prêmio Nobel 2007
Já empregado hoje em dia
10/2/2010
27
GMR
Progresso na tecnologia de HDs (1970-2006)
2007
160GB
1997: IBM utiliza tecnologia GMR
na cabeça de leitura dos HDs
10/2/2010
28
Memória RAM não volátil
Tempo de Boot = 0
Menos consumo de energia da memória
Aplicações móveis
Economia bateria
10/2/2010
29
Computação Quântica
10/2/2010
30
Como explorar o spin?
Armazenar informações na forma de spin
Transportar
Interpretar
Em cada etapa, existe um desafio associado.
10/2/2010
31
O que é o spin?
Pergunta de difícil resposta
É uma propriedade fundamental das partículas
Perguntas semelhantes
O que é a massa?
10/2/2010
O que é a carga?
32
Massa, carga
Propriedades fundamentais
Difíceis de definir
É fácil conhecer algumas propriedades
▪ Massas se atraem
▪ A massa é conservada
10/2/2010
33
O que é o spin?
Momento angular intrínseco
Analogia movimento Terra-Sol
10/2/2010
34
Cuidado
O elétron não é um pequeno corpo em rotação
em torno de si mesmo
Velocidade de rotação > c
Spin
10/2/2010
Puramente quântico
35
O que é o spin?
O que é spin up e down?
Spin: grandeza vetorial
▪ Sx, Sy, Sz
▪ Princípio da incerteza
Conhecimento simultâneo
Sz
10/2/2010
S2
36
Spintrônica
10/2/2010
Macroscópica
Microscópica
Corrente spin-polarizada
1 elétron individualmente
Awschalow et al. Sci. Amer. (2007)
37
Spintrônica
Macroscópica
Metais
Semicondutores
????
Relativo sucesso
10/2/2010
38
Materiais semicondutores magnéticos
Semicondutor Magnético
10/2/2010
Semicondutor
Íons Magnéticos
39
Polarização de spin
Medida da predominância de
um spin frente o outro
No caso de uma
corrente elétrica
10/2/2010
Quando existe essa predominância,
dizemos que o sistema está
spin-polarizado
40
Como polarizar uma corrente?
Efeito Hall
Edwin Herbert Hall
1879
Awschalow et al. Sci. Amer. (2007)
10/2/2010
41
Efeito Spin Hall
Origem:
Processo de espalhamento
spin-dependente
Analogia com o movimento de uma
bola de tênis (Efeito Magnus)
Kato, Myers, Gossard, Awschalom. Science 306, 1910 (2004)
10/2/2010
42
Efeito Spin Hall
Previsto por Dyakonov e Perel (1971)
Dyakonov , Perel. Phys. Lett. A 35, 459 (1971).
Observação experimental
Kato, Myers, Gossard, Awschalom.
Science 306, 1910 (2004)
Detecção: via
método óptico
10/2/2010
43
Efeito GMR
Giant Magnetoresistance
B
∆R
gigante
Dispositivo já presente na
cabeça de leitura dos HDs
1997: 1Gbit/in2
2007: 100Gbit/in2
A. Fert. Thin Solid Films 517, 2 (2008)
10/2/2010
44
Efeito GMR
Como funciona?
Baibich et al. Phys. Rev. Lett. 61,2472(1988)
10/2/2010
45
Efeito GMR
Necessidade de filmes finos (tecnologia nano)
A. Fert, Thin Solid Films 517, 2 (2008)
10/2/2010
46
Transistor
FET: Field Effect Transistor
FET (convencional)
http://www.pbs.org/transistor/science/info/transmodernex.html
10/2/2010
47
Transistor
: parâmetro que mede o
acoplamento spin-órbita
(depende de Vg)
Spin-FET
Efeito Rashba
Datta, Das. Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990)
Nitta. NTT Technical Review 2, 31 (2006)
10/2/2010
48
Memória
Memória Convencional
Racetrack memory
▪ Memória spintrônica (não volátil)
S.S.P.Parkin, M.Hayashi, L.Thomas. Science 320, 190 (2008).
10/2/2010
49
Memória Convencional
RAM
▪ Random Access Memory
Armazenamento do dado
▪ Estático
▪ Dinâmico
10/2/2010
50
SRAM
Memória RAM do tipo estática.
Vantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
Desvantagens
Área (custo do MB)
10/2/2010
51
DRAM
Memória RAM do tipo dinâmica.
Vantagens
Capacidade de armazenamento;
Custo.
S1
S2
Desvantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
10/2/2010
52
DRAM
Vantagens
Custo.
S1
S2
Desvantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
10/2/2010
53
DRAM
Vantagens
Custo.
S1
S2
Desvantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
10/2/2010
54
DRAM
Vantagens
Custo.
S1
S2
Desvantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
10/2/2010
55
DRAM
Vantagens
Custo.
S1
S2
+
Desvantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
10/2/2010
56
DRAM
Vantagens
Custo.
S1
S2
+
Desvantagens
Consumo de energia;
Tempo de acesso.
10/2/2010
A informação é gravada
(ou lida)
57
HD vs RAM
HD: custo de armazenar 1 bit é 100 vezes menor
que na RAM
RAM: muito mais veloz
Solução: unir o custo do HD à
rapidez da memória RAM
10/2/2010
58
Racetrack memory
Dispositivo 3D
Dados gravados nas paredes de domínio
Funciona como um shift-register
10/2/2010
59
Parede de domínio
Entre domínios magnéticos
10/2/2010
60
Memória
Comparação
$
(tam. da cél. F2)
tleitura
(ns)
tescrita
(ns)
Eescrita
(pJ/bit)
tretenção
SRAM
120
2-100
2-100
2
supply
DRAM
6-12
6-40
6-40
2
64ms
FLASH
4,5
104
105
65
10a
HD
n/a
2x106
2x106
n/a
10a
RM-2D
2-4
20-32
20-32
2
10a
RM-3D
0,13-0,5
20-32
20-32
2
10a
S.S.P.Parkin, M.Hayashi, L.Thomas. Science 320,190 (2008). Supplementary material.
10/2/2010
61
Novidades
2009
http://www.spintronics-info.com/
10/2/2010
62
Novidades
2009
10/2/2010
63
Novidades
2009
10/2/2010
64
Spintrônica
interessante e desafiadora
“Este campo não é como os outros que
estudam a física fundamental, no sentido de
responder quais são as partículas estranhas,
desconhecidas, mas é mais como a física do
estado sólido no sentido de que ela irá nos
contar muito mais do grande interesse em
fenômenos estranhos que ocorrem em
situações complexas”
(Feynman, falando sobre a Nanociência)
http://www.comciencia.br/reportagens/nanotecnologia/nano19.htm
10/2/2010
65
Referência
Site: www.spintronics-info.com
10/2/2010
66
Contatos
Lara K. Teles
▪ [email protected]
Marcelo Marques
Ronaldo R. Pelá
10/2/2010
67

Eletrônica na Onda do Spin - x encontro de física do ita

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