Com A. H. Castro Neto e B. Uchoa

O grafeno é provavelmente umas das principais descobertas na física da matéria condensada na última década. Ele é um cristal bidimensional (2D) composto por átomos de Carbono. Portanto, ele tem apenas um átomo de espessura e é a mais fina camada encontrada na natureza. O grafeno, do ponto de vista prático, tem uma série de vantagens. Ele é metálico, transparente, tem livre caminho médio eletrônico muito longo e suas propriedades elétricas podem ser controladas por campos elétricos e magnéticos.

Por causa da sua dimensionalidade, o grafeno não tem, como já descrito pelo teorema de Hohenberg-Mermin-Wagner (HMW), ordem estrutural de longo alcance. Porém, ele pode apresentar uma fase estável a baixas temperaturas na presença de imperfeições que quebrem a simetria de translação. Como conseqüência das flutuações que proíbem a ordem de longo alcance, são encontradas ondulações estáticas nas amostras de grafeno (ver figura abaixo).

Foi mostrado que átomos adicionados à superfície do grafeno podem formar facilmente momentos magnéticos. Por outro lado, outra vez por conta da baixa dimensionalidade, a ordem magnética de longo alcance é suprimida na ausência de anisotropias magnéticas. Neste projeto, estamos interessados no oacoplamento intrínseco das flutuações estruturais e magnéticas que levam ao aparecimento de texturas de spins inomogêneas.

Phys. Rev. B 80, 245408 (2009)

Phys. Rev. Lett. 106, 016801 (2011)

Para saber mais sobre o grafeno:

Ciência Hoje (portugal)

Ciência Hoje Brasil para assinantes

Wikipédia em Inglês

Este projeto é uma colaboração com Luiz C. Sampaio do CBPF (Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas) e seu aluno Tiago Siman que é meu co-orientado.

A manipulação da magnetização em materiais nanoestruturados utilizando campos magnéticos e/ou correntes elétricas spin-polarizadas tem sido foco de intensa pesquisa nos últimos anos. Mais recentemente, vimos um foco especial no estudo da dinâmica de reversão magnética em discos magnéticos e nanofios. Esse interesse é motivado pela potencial importância desses sistemas na implementação de memórias e operações lógicas na indústria eletrônica. Microdiscos de Permaloide podem exibir, dependendo de seu tamanho e espessura, um vórtice magnético com centro de 10-20 nm magnetizado perpendicularmente ao plano do disco. Devido à bi-estabilidade magnética da estrutura desse vórtice, esse sistema é bastante promissor do ponto de vista tecnológico. A inversão da magnetização do centro do vórtice pode ser obtida tanto com aplicações de campos magnéticos como correntes spin-polarizadas. Em um trabalho inicial, estudamos o efeito da anisotropia no processo de inversão do vórtice realizando cálculos numéricos com a equação de Landau-Lifshitz-Gibert (LLG).

(a) Diâmetro do centro do vórtice em função K_z para um disco com diâmetro de 300 nm e expessura de 12 nm. Painéis (b-f) mostram a magnetização para valores crescentes de K_z, ilustrando os diferentes regimes de (a). As cores representam a direção da componente da magnetização m _xy no plano. A estrutura do vórtice é dada por uma sequência horária de cores azul-verde-vermelho.

Um dos principais problemas na aplicação desses sistemas para memória magnética está relacionado à observação do processo de inversão em um único disco magnético. Como podemos nos certificar, de maneira precisa, se houve ou não inversão do vórtice? Uma forma prática de inferir as propriedades magnéticas em nanoestruturas é a utilização de medidas de magnetotransporte.

Atualmente, buscamos desenvolver um modelo para calcular a magnetoresistência em nanoestruturas. Neste modelo levamos em consideração a magnetização não-uniforme no disco e como ela influencia na distribuição da corrente, que também não é uniforme. Após essa etapa, iremos incorporar também essas correntes não uniformes no cálculo do spin-torque que no geral assume correntes uniformes atravessando as nanoestruturas.

Appl. Phys. Lett. 93, 112507 (2008)

Os semicondutores magnéticos diluídos (DMS) são materiais novos e extremamente promissores para spintrônica, com a vantagem de serem baseados em semicondutores já tradicionais. Além de serem compatíveis com os dispositivos semicondutores atualmente em uso, alguns deles (como o GaMnAs) são ferromagnéticos. Os DMS também oferecem a possibilidade de construir estruturas quânticas com magnetização finita confinadas em escala nanoscópica. Estas estruturas podem vir a ser parte de uma nova geração de dispositivos semicondutores.

Com E. Sinnecker, G. Perello, M. M. Sant'anna, M. P. Pires, X. Liu, J. K. Furdyna.

Nós estudamos a introdução controlada de defeitos no DMS GaMnAs. Irradiamos as amostras com um feixe de íons energéticos que modificam as propriedades elétricas e magnéticas do material. Para caracterizar essas mudanças, fazemos um estudo sistemático da magnetização como função da temperatura e também realizamos medidas de transporte como resistividade e efeito Hall. Esses resultados são comparados com previsões teóricas.

Magnetização em função da temperatura para diferentes doses de Li^+

T. G. Rappoport, M. Godoy, P. H. Lana Martins R. R. dos Santos

Estamos interessados no comportamento de heteroestruturas compostas de planos ricos em Mn, separados por espaçadores de GaAs não-dopados, estudados através de simulações de Monte Carlo, com o objetivo de determinar como o arranjo magnético se modifica à medida em que variam as distâncias entre os planos e a forma do acoplamento magnético.

Outra importante propriedade dos semicondutores magnéticos diluídos DMS (tanto os III-V como os mais estabelecidos II-VI) é o fato de um campo magnético relativamente pequeno ser capaz de causar uma enorme separação Zeeman dos níveis energéticos, mesmo o material estando no estado paramagnético. Por exemplo, um campo magnético de 0,1 Tesla pode facilmente levar a uma separação de níveis de 15 meV, possibilitando utilizar campos magnéticos com grandes gradientes em escala nanoscópica como agentes confinantes de cargas spin-polarizadas nos DMS.

É possível fazer uso do efeito Zeeman gigante presente nos DMS para empregar campos magnéticos não homogêneos no confinamento de cargas e spins em poços quânticos de DMS. Particularmente, , mostramos a possibilidade de utilizar tanto nanomagnetos quanto vórtices supercondutores como agentes confinantes nos DMS. Dando continuidade a esta linha de pesquisa, estudaremos a dinâmica no mesmo sistema híbrido de semicondutores magnéticos com supercondutores com o objetivo de encontrar formas de manipulação dos estados confinados utilizando manipulações de vórtices em supercondutores

Para saber mais detalhes, veja a página de pesquisa em Inglês.

Abaixo, assista a duas animações de divulgação

Sistema hibrido

Dinâmica de vortices

Image gallery: DMS /SC hybrid

Animations: Copyright - Ovidiu Toader

For details, see Mona Berciu, Tatiana G. Rappoport and Boldizsar Jankó, Nature 435 Number 7038, 71 (2005)

Com Y. Xing, H. Micklitz and E. Baggio-Saitovich

A interação entre ferromagnetismo e supercondutividade atrai a atenção da comunidade científica a pelo menos 20 anos. Recentemente, ressurgiu esse interesse devido a novos fenômenos observados experimentalmente. Por exemplo: o aumento da corrente crítica em sistemas híbridos contendo partículas ferromangnéticas no topo de um filme supercondutor do tipo II ou a coesistência de supercondutividade e ordem magnética de longo alcance em supercondutores magnéticos.

Em supercondutores (SC) do tipo II, um campo magnético aplicado pode penetrar no material e criar um estado misto de vórtices. Esses vórtices se movem em resposta a corrente elétrica, dissipando energia e destruindo o estado de resistência zero. Em princípio, esse campo também pode ser provido por ferromagnetos (FM). Em sistemas híbridos de SC-FM, o magneto afeta fortemente as propriedades do supercondutor, levando a uma mudança na temperatura crítica, na corrente crítica e muitas vezes leva ao surgimento de novas fases.

Imagem de microscópio de transmissão (TEM) das nanopartículas de Ferro Neste projeto, estamos estudando sistemas híbridos de nanopartículas magnéticas embebidas em uma matriz supercondutora. Nosso sistema consiste de um filme de Chumbo (Pb) no limite sujo, onde ele se comporta como um SC do tipo II. O SC está encrustado por nanopartículas de Cobalto (Co) com diâmetro médio de alguns nanometros. Fazemos medidas magnéticas e de transporte e encontramos assinaturas de uma nova fase no supercondutor, com a existência de vórtices mesmo sem a presença de campo magnético aplicado. Esses vórtices se devem exclusivamente a presença das particulas magnéticas no SC.

Phys. Rev. B 80, 224505 (2009)

Phys. Rev. B 78, 224524 (2008)

Uma das mais promissoras formas de detectar e quantificar emaranhamento em sistemas físicos são as chamadas testemunhas de emaranhamento (EW). EW são observáveis que têm valores médios negativos somente para estados emaranhados. É possível construir testemunhas de emaranhamento utilizando apenas medidas magnéticas convencionais como susceptibilidade magnética. Em colaboração com o professor Luiz Ghivelder da UFRJ, que realizou as medidas magnéticas e o grupo que trabalha com esses sistemas na UFF (Professores João Carlos Fernandez e Mucio Amado Continentino) que forneceu as amostras, conseguimos detectar e quantificar emaranhamento em dois sistemas distintos e observar como esse emaranhamento é alterado com o aumento da temperatura e campo magnético aplicado

Mais detalhes em: T. G. Rappoport, L. Ghivelder, J. C. Fernandes, R. B. Guimaraes, M. A. Continentino, Phys. Rev. B 75, 054422 (2007)