Spintrônica - Spin vetor magnético

                       

               

                           O que um homem vê depende tanto daquilo que ele olha como daquilo que sua

                           experiência visual-conceitual prévia o ensinou a ver.

                                                                                                   KUHN, Thomas

“...I predict that within 100 years, computers will be twice as powerful, 10,000 times larger, and

so expensive that only the _ve richest kings of Europe will own them."

-Professor Frink, The Simpsons

Non sine aliquo metus escribo....

Porém, se não enfrentarmos o que nos atemoriza, onde iremos encontrar nosso destemor?

Portanto, depois de ler sobre spintrônica, no intuito de aprender sobre e apreender os conceitos envolvidos, resolvi elaborar esta postagem e compartilhar o que consegui aprender e apreender pela web, e de uma maneira singela, pois, não poderia ser de outra forma, retribuir pela rede o que dela recebi, como já mencionado, não no mesmo nível infelizmente, porém é uma tentativa.

Bem, após, este trecho propedêutico, começo pela origem..

O entendimento dos fenômenos magnéticos sempre foi um grande desafio científico.
Embora alguns aspectos sejam descritos razoavelmente bem dentro do contexto do Eletromagnetismo clássico, somente a partir do Século XX, com o advento da Mecânica Quântica, é que foi possível, explicar de maneira lógica e coerente a verdadeira origem do magnetismo na matéria e suas conseqüências.

Atualmente há grande interesse da comunidade científica acerca do assunto Magnetismo e Spintrônica, sobretudo devido às aplicações tecnológicas, que vão desde cabeças de leitura de discos rígidos e memórias de acesso randômico magnéticas até a possibilidade futura de realização da computação quântica.

Mas o que é o magnetismo ?

Bem, para buscarmos parte da resposta temos que visitar algumas páginas da história, para assim, tomarmos ciência dos fatos registrados.

Destarte, relatos da Grécia antiga falavam sobre propriedades “maravilhosas” de uma pedra que tinha “alma” de origem divina.

Esta pedra teria sido encontrada por um pastor chamado Magnes, tendo assim originado o nome, Magnetita (FeO.Fe2O3). 
Outros dizem que o nome veio devido ao fato da pedra ser encontrada numa região da Turquia chamada Magnesia.

No entanto, atribui-se a primeira grande aplicação tecnológica do magnetismo aos chineses, por volta do ano 200 a.C sendo utilizada na navegação somente a partir do século X. 

De acordo com Alexandre Cherman no livro “Sobre os ombros de Gigantes” pág. 71 “A bússola só foi formalmente descrita e teve suas propriedades enumeradas mais de mil anos depois, pelo astrônomo chinês 

                                                   

                                                      

                                                        Shen Kuo (1031- 1095).

Em 1088 ele publicou o Tratado do poço dos sonhos, reunindo seus trabalhos em astronomia, medicina, cartografia, matemática e , claro, seus estudos sobre a bússola.

Algum yempo depois esse conhecimento chegaria à Europa pelas mãos dos mouros. Em cerca de 1180, Alexander Neckm (1157-1217), um inglês, publicou A natureza das coisas, fazendo a primeira descrição ocidental do uso da bússola na navegação”.

Apesar da bússola ter sido fundamental na época dos grandes descobrimentos sua data e o local de seu invento causa controvérsias, sendo tema de discussão entre historiadores.

Entretanto todos concordam que a bússola era certamente conhecida na Europa por volta do século XII, pois a primeira referência sobre a sua utilização foi feita por AlexanderNeckm(1157-1217) (RIBEIRO, 2000).

Para se referir à magnetita, a palavra em francês aimant, sugestivamente significa “amante”, referindo-se ao fato de que a pedra ama, ou atrai o ferro (e também níquel e cobalto).

Daí a magnetita dos gregos foi adaptada para a língua portuguesa no Brasil por meio do vocábulo ímã, que em Portugal é grafado como íman. 
Embora atrasados em relação aos chineses na utilização da bússola para a navegação, foram os europeus que realizaram os primeiros estudos experimentais de natureza científica em relação ao magnetismo.

Em 1269, o francês Pierre Pèlerin de Maricourt também conhecido como PetrusPeregrinus, escreveu o mais antigo tratado de física experimental descrevendo a maioria das experiências elementares sobre magnetismo, que aparecem até hoje nos livros escolares de ciências. 

Segundo, Gaspar (2000):

Foi ele quem denominou pólo norte e pólo sul as extremidades de um ímã, baseando-se na orientação natural da bússola.

Observou, ainda que a agulha da bússola não apontava exatamente para o norte geográfico da Terra. Maricourt fez outras descobertas importantes:

1. se aproximarmos dois ímãs pelos pólos de mesmo nome, eles se repelem;
2. se os aproximarmos pelos pólos opostos, eles se atraem;
3. um ímã partido mantém a polaridade do ímã original;
4. cada divisão de um ímã dá origem a outros ímãs. (GASPAR, 2000, p.182)

O primeiro tratado sobre magnetismo, “DeMagnete” datado de 1600 foi escrito por Willian Gilbert e constitui um dos primeiros clássicos da literatura científica. Gilbert retomou o trabalho experimental de Maricourt, foi o primeiro a dizer que a Terra era um grande ímã e descobriu a imantação por indução.

                                           

Depois disso, pouco foi acrescentado ao estudo do magnetismo que já se pensava estar relacionado com a eletricidade.

 

                                                                                                                                                                                                                                pilha de Volta
 
No início do século XIX, quando o físico italiano Alessandro Volta, conseguiu uma fonte duradoura de eletricidade, a pilha, em função disso,  houve um aprofundamento no estudo desses fenômenos.

Desenho do inventor

                                                                                          
   

Com Michel Faraday em 1831, a unificação experimental da eletricidade e do magnetismo foi consolidada por meio do fenômeno da indução magnética entre duas bobinas, princípio do transformador.

     

 

                                                      

                                                             Imã induzindo corrente em bobina

A indução também é observada com o uso de um ímã permanente, obtendo-se desta forma o princípio dos motores e geradores elétricos.

A unificação teórica desses ramos da Física coube ao físico escocês James C. Maxwell que, em 1864, apresentou quatro equações que explicavam todo o eletromagnetismo e, ainda mais,
                                       

levavam às leis de outro ramo da Física – a ótica. 

                               

Seus estudos lhe permitiram prever a existência das ondas eletromagnéticas, confirmadas pelo físico alemão Heinrich R. Hertz em 1888, nove anos após a sua morte, e anunciar que a própria luz é uma forma de eletromagnetismo.

Somente nos anos 1920 a teoria quântica tomou a forma moderna tendo sido desenvolvida por um

brilhante grupo de cientistas, cabendo destacar Erwin Schroedinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Pascual Jordan e Max Born, dentre outros.

Um dos elementos fundamentais no entendimento das propriedades magnéticas é o spin e foi teorizado nessa mesma época por Uhlenbeck and Goudsmit, que propuseram que o elétron é uma particula com spin +/- ½, sendo demonstrado pelos experimentos de Stern e Gerlach, no célebre experimento que leva o nome de Experimentode Stern-Gerlach

                                            

Otto Stern e Walther Gerlach planejaram um experimento para determinar se partículas tem algum momento angular intrínseco. 

                        
                                 
Placa em comemoração ao experimento, localizada no instituto de Frankfurt (wikipidia.org)
Visite o endereço: http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/physics
e simule o experimento.
Em um sistema clássico, como a Terra orbitando o sol, a Terra tem momento angular de sua órbita em torno do sol e da órbita em torno de seu eixo. 
O experimento procurou determinar se partículas individuais como elétrons tem algum momento angular de spin.
 (http://pt.wikipedia.org) 
Vídeo sobre momento angular 
https://www.youtube.com/watch?v=NwbvTa2xV9k
 

Assim, podemos dizer, que o modelo padrão de spin foi construído com base em dados obtidos em laboratório, não sendo assim, um conceito teórico mas, sim uma relação de dados experimentais.

Segundo Novak (1999), o entendimento moderno do magnetismo possibilitado pelo surgimento da Mecânica Quântica, foi “ìntimamente ligado ao desenvolvimento da mecânica estatística e termodinâmica quântica principalmente quanto aos fenômenos cooperativos”.

Ou seja, o magnetismo não pode ser explicado pela Física Clássica, é intrinsecamente quântico.

Como mencionado acima, na eletrônica o magnetismo entre outras aplicações, é utilizado no armazenamento de informações.

 Em meio a várias outras descobertas relacionadas ao eletromagnetismo, que temos em tempos recentes

outra descoberta que agitou os meios acadêmico e tecnológico foi de um fenômeno que ficou conhecido como magnetorresistência gigante (MRG), em 1988.

Esta descoberta, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2007 para Albert Fert e Peter Grünberg, ocorreu na França, e contou com a colaboração de um pesquisador brasileiro – Mário Baibich, atualmente professor pesquisador do Instituto de UFRGS.

Apesar de ser uma descoberta relativamente recente, o fenômeno já é utilizado na enorme maioria dos cabeçotes de leitura dos discos rígidos de computadores, e toda uma nova área da física, conhecida como eletrônica de spin (ou spintrônica), tem se desenvolvido a partir dele (KNOBEL, 2005).

Armazenamento magnético

As memórias de núcleo para computadores foram as primeiras memórias não voláteis, antes de introdução das memórias RAM de semicondutor na década de 1970.

As memórias de núcleo originalmente foram montadas usando núcleos magnéticos feitos de

materiais isolantes e magnéticos, como a ferrita. 

                                                

Estes núcleos eram pequenos anéis toroidais enrolados com fios de cobre fino. Pulsos de corrente através desses fios magnetizavam os núcleos em dois sentidos de corrente (direita e esquerda) para armazenar 0 ou 1, e cada núcleo com seu próprio estado representava um bit. 

A informação era lida, através de um pulso induzido indutivamente em outro fio, isso testava a direção da magnetização do núcleo.

                                         

                                                               memória de núcleo

Apesar de esta memória ser lenta, cara e ter baixa densidade comparada com os por padrões atuais, ela foi um padrão na indústria durante os anos 1950 e 1960 e teve a vantagem que é não volátil, e as

informações armazenadas sempre se conservaram intactas.

Os mais novos sistemas para armazenamento são produzidos por processos litográficos e são

elementos que têm velocidade e densidade que atinge as grandezas de aquelas encontradas nas

memórias RAM, além do fato, que estas são não voláteis. 

Um exemplo deste tipo de arranjos é RAM construída de elementos GMR conectados em série.

                                   

mostrado na figura acima.

Estes elementos GMR (Giant Magnetoresistance) são essencialmente estruturas de válvula de spin que estão dispostas em série e ligadas litograficamente para formar um “sence line".

A linha armazena informação e tem uma resistência que é a soma das resistências de todos seus elementos. A corrente corre ao longo dela e amplifica-se nos extremos, o que permite detectar leves mudanças na resistência dos elementos.

Sobre o Spin

Para comentar sobre o spin do elétron, recorri a várias explicações e algumas mostram, o grau transcendente da física moderna em relação à física denominada clássica, no livro O Tao da Física pág 321 de FritjofCapra, é explicado, [...]A imagem clássica de uma bola de tênis rodopiando não é totalmente adequada para descrever uma partícula subatômica rodopiando.

Num certo sentido, o spin de uma partícula é uma rotação de uma partícula em rotação em torno de seu próprio eixo; mas, como sempre acontece na Física subatòmica, esse conceito clássico é limitado.

No caso de um elétron, o spin da partícula é restrito a dois valores: a quantidade de spin (sua medida) é sempre a mesma, mas o elétron pode rodopiar em um sentido ou no outro, no sentido horário ou anti-horário, para um determinado eixo de rotação.

Os físicos costumam referir-se a esse dois valores do spin denominando-os “para cima” e “para baixo”.

A propriedade crucial de um elètron rodopiante, que não pode ser compreendida em termos clássicos, é o fato de que o seu eixo de rotação nem sempre pode ser determinado com precisão.

Assim como os elétrons exibem tendências para existir em certos lugares, também exibem tendências para rodopiar em torno de certos eixos.

Todavia, sempre que uma medição for efetuada em qualquer eixo de rotação, o elétron será encontrado rodopiando num sentido ou no outro, em torno do eixo em questão.

Em outras palavras: o ato de medir confere à partícula um determinado eixo de rotação; antes, porém que a medição seja efetuada, não é, em geral, possível afirmar que a partícula esteja rodopiando em torno de um eixo determinado; ela simplesmente possui uma certa tendência, ou propensão, para se comportar desse modo.” .

Como se pode notar, o texto exige uma forma diferente de pensamento, um enfoque diferenciado, explicitado no parágrafo abaixo.

O spin é uma propriedade física puramente quântica, ou seja, não há nenhum análogo clássico que possa descrever o spin (Sakurai, 1994). 
Devido a essa particularidade, porém, o spin pode apresentar duas orientações denominadas “spin-up” e “spin-down”, como ilustrado na figura abaixo. 

  

                                                           

1. O spin é uma forma de momento angular intrínseco de todas as partículas.
2. A Terra tem um momento angular orbital devido à rotação em torno do Sol, mas também tem um momento angular intrínseco devido à rotação em torno de seu próprio eixo. 
   Apesar de essa analogia ser muito comum, o elétron não é um pequeno corpo rígido em rotação sobre seu próprio eixo.
3. O spin é um momento angular de natureza essencialmente quântica.
   
   
   

   O spin está associado a um momento angular e é representado através da sua quantização.

   O momento angular possui magnitude, isto é, quão rápido o elétron está girando, e uma direção, que é o eixo de rotação da partícula.

   De acordo com a mecânica quântica, o momento angular de spin de um sistema é dado por:

   
   

   

          

   
   

   onde h é a constante de Planck, com o traço simboliza a constante dividida por 2*pi e s é um número fracionário na forma n/2, em que n é

   um inteiro > /  = 0.

   Além disso, a componente do momento angular medida ao longo de um eixo cartesiano

   (o eixo-z, por exemplo) pode assumir os seguintes valores:

   
   

                               

    

   
   

   Há 2s+1 valores possiveis para sz. Pelo princípio de exclusão de Pauli, o elétron possui s = 1/2. Portanto, os valores de sz para o elétron são sz = 1/2 e sz= -1/2.

   Estes valores se referem a direção para onde o spin está apontando no eixo-z e correspondem a para cima e para baixo,respectivamente.
   Portanto, o spin apresenta uma “lógica natural” de dois estados correspondendo aos dígitos 0 e 1 da eletrônica convencional.
   
   

   
   

                                      
   
   Essa característica abre possibili­dade de desenvolver dispositivos muito menores, com consumo de energia menor e muito poderosos mais do que aqueles empregados na eletrô­nica atual.
   O spin pode ser tecnicamente entendido , através do experimento de Experimento de Stern-Gerlach supra citado. 

   
   

   
   Vídeo sobre o Spin 
   
   https://www.youtube.com/watch?v=28Xe4FCCjt4
   
   https://www.youtube.com/watch?v=W98GtnwG3Io
   
   https://www.youtube.com/watch?v=JiZtwEKG048

   
   

   
   https://www.youtube.com/watch?v=W-_4zOYTIVU
   
   

   O que é a spintrônica?

   
   

   
   

   A história da spintrônica começou a ser escrita mo século passado durante a década de 30, quando Mott, estudando a resistividade de materiais ferromagnéticos, percebeu que elétrons majoritários e minoritários não se misturam no processo de espalhamento. 
   A condutividade poderia ser expressa como a soma de duas partes independentes e desiguais com duas orientações de spin: a corrente em ferromagnetos é polarizada em spin!

   
   

   Mott lançava as bases para a nossa compreensão do transporte polarizado em spin. 
   Este modelo ficou conhecido como modelo de duas correntes ou dois canais, foi estendido por Campbell em 1967 e mais tarde por Fert e Campbell em 1968, sendo utilizado até hoje na compreensão de fenômenos magnetorresistivos (Spitronics: fundamentals and applications. , 2004).

   
   

   A spintrônica é um campo multidisciplinar cujo tema central é a manipulação, detecção e aplicação do grau de liberdade do spin de uma partícula.

   
   

   
   

   Entre as principais áreas estudadas no campo da spintrônica podemos destacar:

   
   

   • a fabricação de nanoestruturas magnéticas incluindo novos materiais, filmes finos, heteroestruturas e materiais multifuncionais;

   
   

   • a pesquisa sobre o controle do magnetismo e do spin em nanoestruturas magnéticas, teoria de semicondutores magnéticos diluídos (Semiconductor Magnetic Diluited, SMD), efeitos de tunelamento
   e injeção de spin, transporte de spin e detecção de magnetismo;
                                             
          
                                           
    
   Reflexão e tunelamento através de uma barreira potencial por um pacote de ondas. Uma parte do pacote de ondas passa através da barreira, o que não é possível pela física clássica. (http://pt.wikipedia.org)
   

   
   

   
   • dispositivos magnetoeletrônicos empregando a magnetorresistência gigante (Giant Magnetoresistance, GMR), dispositivos de tunelamento, heteroestruturas semicondutoras para injeção de spin, transporte e detecção de spin;

   
   

   • propriedades magneto-ópticas, entre muitas outras.

   
   

   A descoberta em 1988 do efeito da magnetorresistividade gigante é considerada o começo desta nova eletrônica baseada em spins (Baibich et al., 1988; Barnas et al., 1990).

    Desde então, a procura por materiais que combinassem as propriedades de um material ferromagnético com as de um semicondutor tornou-se o principal objetivo dos estudos nesta área.

   
   

   A seleção dos materiais que possam ter aplicações na área de spintrônica segue basicamente dois outros critérios.

   
   

   Primeiro, o ferromagnetismo deve permanecer a temperaturas ambientes (T > 300 K).

   
   

   Para transformar Kelvin em Celsius              °C = K − 273,15 

   Segundo, seria uma grande vantagem se já existisse uma tecnologia voltada para o material com outras aplicações.

   
   

   Uma aproximação compatível com os semicondutores utilizados nos dias de hoje na eletrônica é transformar os semicondutores, os quais não apresentam propriedades magnéticas, em magnéticos introduzindo uma certa concentração de íons magnéticos.

   
   

   Esta classe de materiais constitui o que chamamos de semicondutores magnéticos diluídos.

   
   

   Estes semicondutores ferromagnéticos também possuem a característica de que, dependendo da concentração de seus componentes, podem pertencer a uma classe de materiais denominados meio-metais, isto é, nestes semicondutores os portadores de carga só irão conduzir corrente se os seus spins estiverem polarizados.

   
   

   Entre os semicondutores utilizados na fabricação de diversos dispositivos optoeletrônicos, como lasers e diodos de emissão de luz (Light Emmiting Diodes, LEDs) e na eletrônica digital, podemos destacar, por exemplo, os semicondutores do grupo III-V, como o GaAs e o InAs. 
   Para contextualizar, insiro informação colhida no site http://www.inovacaotecnologica.com.br
   O Prêmio Nobel de Física de 2014 foi concedido a três pesquisadores japoneses pelo desenvolvimento do LED de cor azul e sua posterior junção com outras cores para criação dos LEDs brancos.
   
                            
                                
   Isamu Akasaki, nascido em 1929, é professor da Universidade Meijo, em Nagoya. Hiroshi Amano, nascido em 1960, é professor da Universidade de Nagoya. E Shuji Nakamaura, nascido em 1954, é atualmente professor da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos Estados Unidos.
   Os LEDs (Light-Emitting Diodes - diodos emissores de luz) são as luzes de estado sólido que começaram como sinalizadores em aparelhos eletrônicos e agora estão se disseminando nas aplicações de iluminação em geral.
   

   
   

                                        Comparativo para tempo de vida média

   FONTE LUMINOSA                                                            VIDA MÉDIA (Horas)

   Incandescente                                                                                              750 -1000

   Halógena                                                                                                      1.500 - 2.000

   Flurescente Tubular                                                                                      6000-24.000

   Fluorescente Compacta                                                                                6000-24.000

   LED                                                                                                              25.000-100.000

   LED Tubular                                                                                                   50.000

   
   
   Para essa disseminação, a invenção do LED azul foi crucial, uma vez que esse comprimento de onda é necessário para produzir a luz branca necessária para a iluminação de ambientes, o que é feito juntando-o com os mais tradicionais LEDs de cor verde e vermelha.
   Foram quase 30 anos de pesquisas, na academia e na indústria, em busca da criação de um LED que emitisse cor azul - os primeiros LEDs foram criados em 1907, os LEDs vermelhos e verdes nasceram na década de 1960, e os três pesquisadores agora premiados pelo Nobel apresentaram seu primeiro LED azul em 1992.

   Por meio de intensa pesquisa na área de spin­trônica, podemos dizer que até o momento já foram obtidos diversos progressos no sentido de tornar a spintrônica uma realidade.
   

   Entre eles, podemos citar propostas recentes de capacitores, transistores, diodos de spin, tendo sido até estabelecidas lógicas com spins (Zutic et al., 2004).

   
   

   Mais aplicações

   
   

   A exploração da polarização do spin dos portadores representa, não só um ponto de partida para o campo de magnetismo e materiais magnéticos, mas também uma nova missão para o campo da eletrônica. 
   A capacidade de fazer cada vez menores dispositivos eletrônicos e a capacidade de combinar materiais diferentes dentro de um dispositivo serve para aplicar e encontrar efeitos de spin polarizado mais exóticos e importantes. 
   Um bom exemplo é aplicado na área de armazenamento de informação.
    "O primeiro disco rígido foi construído pela IBM em 1956, e foi lançado em 16 de Setembro de 1957. Era formado por 50 discos magnéticos contendo 50 000 setores, sendo que cada um suportava 100 caracteres alfanuméricos, totalizando uma capacidade de 5 megabytes, incrível para a época. Este primeiro disco rígido foi chamado de 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) e tinha dimensões de 152,4 centímetros de comprimento, 172,72 centimetros de largura e 73,66 centímetros de altura e peso próximo a uma tonelada".
   
                               
                                                  
                                                                           
                                                    PRIMEIRO disco rígido IBM
                                                                
   
   Se o desenvolvimento de materiais que exibem 100% polarização for bem sucedido, muitos dos atuais 
   
                                                         
   

   Essa característica abre possibili­dade de desenvolver dispositivos muito menores, com consumo de energia menor e muito poderosos mais do que aqueles empregados na eletrô­nica atual.

                     
   

   

        
                                                                            Disco Rígido
   dispositivos eletrônicos e digitais poderão ser substituídos por dispositivos menores e mais robustos, que adicionem o benefício de possuir memória intrínseca, isso ocorre porque 100% da polarização permite operações lógicas tipo on/off, com uma relação essencialmente infinita de impedância entre os dois estados.
   
   

   Por exemplo, a lógica não volátil reprogramável, incluindo todo o conjunto de portas AND, OR, NAND e NOR, 
                                              
   poderiam ser fabricadas com elementos magnetoeletrônicos. Estes elementos poderiam "lembrar" a sua função por tempo indeterminado (mesmo quando estejam desligados), mas também poderia ser apagados com o uso de software.

   
   

   Assim, um chip de microprocessador poderia ser reprogramado em midcalculation para configura-se em velocidades na escala do nanosegundo, somente invertendo a magnetização de alguns seus elementos, a fim de abordar de forma mais eficiente a próxima parte do cálculo. Este permitiria uma abordagem totalmente nova para computação, que é software baseado em de hardware determinado, e um chip padrão de lógica reprogramável se tornaria um microprocessador universal [Gary. A Prinz, J. Magn. Mag. Matt. 200, 57(1999) ].

   
   

   Sensores de leitura magnetoeletrônicos já estão afetando uma indústria multibilionária de  memória de acesso aleatório magnética utilizando elementos metálicos que em breve a impactarão fortemente.

   
   

   Com contribuições de uma diversidade de países e domínios científicos, incluindo biologia, química, física, engenharia elétrica, ciência da computação, matemática e teoria da informação, o campo da spintrônica promete fundamentalmente fornecer uma rápida expansão.
   
   
   

   O conhecimento científico, como a linguagem, é intrinsecamente a propriedade comum de um grupo ou então não é nada.

                                                                                   KUHN, Thomas