Magnetismo de materiais:

(1)

Universidade Federal de Pernambuco

Centro de Ciências Exatas e da Natureza Departamento de Física

Magnetismo de materiais:

Da bússola à spintrônica

Sergio M. Rezende

Curso de Verão de Física

(2)

Magnetismo: História e conceitos

Origem quântica do magnetismo

Sumário

Origem quântica do magnetismo

Aplicações dos materiais magnéticos

(3)

MAGNETISMO

Definições de dicionário

Habilidade de atrair; poder de encantar; Atração do ferro observada no ímã natural e nos magnetos

Área da ciência que trata de fenômenos magnéticos ORIGEM DO NOME: MAGNESIA, região da Turquia

Antiga onde a magnetita (ímã natural) foi descoberta PRIMEIRA APLICAÇÃO TECNOLÓGICA

2000 a.C. – 1000 d.C.

(4)

MAGNETISMO

: História antiga

PRIMEIROS RELATOS CIENTÍFICOS 800 a.C., Grécia Antiga: Experimentos and

conjecturas filosóficas sobre o magneto natural conjecturas filosóficas sobre o magneto natural (loadstone, magnetita)

PRIMEIROS LIVRO (LATIM)

1269 d.C.: Pierre de Maricourt discorre sobre as propriedades dos magnetos naturais

(5)

Magnetismo

na Europa no Século 16

Um dos primeiros livros de Física da história

(6)

Ciência e Tecnologia

Ciência no Século 19: Bases do eletromagnetismo

(1812-1820) Oersted, B

Ciência: geração de conhecimento

(1812-1820) Oersted, Ampère

corrente I cria campo magnético B

I

Fio com corrente I no

campo sofre ação de força

F

(7)

Ciência e Tecnologia

Aplicação tecnológica das descobertas de

Oersted e Ampère: Motor elétrico

Primeiro motor elétrico - 1828

Motor elétrico atual

(Usa material magnético)

(8)

(1831-1845) Faraday,

I

Ciência e Tecnologia

Ciência no Século 19: Bases do eletromagnetismo

Ciência: geração de conhecimento

(1831-1845) Faraday,

Henry: indução magnética

variação de B cria corrente I

(9)

Ciência e Tecnologia

Aplicação tecnológica da indução magnética

Gerador elétrico

Primeiro gerador elétrico – 1856

(Usa material magnético)

(10)

Ciência e Tecnologia

As aplicações tecnológicas dos fenômenos

eletromagnéticos transformaram os costumes da sociedade e os processos de produção

Geração e distribuição de energia elétrica

Geração

Transmissão

Distribuição e

(11)

Energia elétrica tornou-se

imprescindível para a humanidade

(12)

Equações de Maxwell

πρ

4 =

D

div

r

0 =

B

div

r

dt

B

d

c

E

rot

r

₁

−

=

J

D

d

H

rot

r

₁

₄

π

+

=

Século 19: Bases do eletromagnetismo

0 =

B

div

J

c

dt

D

d

c

H

rot

r

₁

₄

π

+

=

Ondas eletromagnéticas (Hertz)

E

B

k

Cambridge (1873)

(13)

(1907) De Forest inventa a válvula triodo

O nascimento da Eletrônica

elétrons emitidos pelo catodo são acelerados para a placa por um campo elétrico

(1913-1918) Armstrong desenvolve o rádio receptor (1905-1910) Marconi e Landel de Moura fazem

(14)

A transmissão e recepção de sinais de áudio e de vídeo possibilitou a comunicação à distância, que revolucionou os costumes da sociedade no início do

Século 20

Evolução da Eletrônica

transmissor t i

e

I

ω receptor

O rádio tornou-se desejo de consumo da sociedade

(15)

Evolução da Eletrônica

(1920-1950)

Inúmeros equipamentos eletrônicos são

inventados e passam a ter aplicação em

muitos setores da vida da sociedade.

Porém a eletrônica de válvulas

tinha muitas limitações.

(16)

1891: James Erwin

Primeiro livro sistemático sobre as propriedades de

Magnetismo

nos EUA Século 19

M

_r

-H

magnetização remanente sobre as propriedades de materiais ferromagnéticos Materiais magnéticos Usados em motores, geradores, relés, Transformadores, etc

H

_c H_c= campo coercivo

Curva de histerese

(17)

Magnetismo

na Europa no Século 19

Faltava entender as origens do magnetismo dos materiais

M

fase ferromagnética 1895: Pierre Curie

M

T

_C fase ferromagnética fase paramagnética

(18)

1907: Pierre Weiss

Modelo semi-clássico

para o ferromagnetismo

momento magnético local

µµµµ

vê campo molecular H_E

µµµµ

vê campo molecular H_E produzido pelos vizinhos vê campo molecular H_E produzido pelos vizinhos

direção e energia quantizadas

E = -

µµµµ

H_E

vê campo molecular H_E produzido pelos vizinhos

µµµµ

H_E = k_BT_c

usa T_c = 1000 K obtem H_E = 107 Oe

(19)

Modelo de Weiss foi importante para a

compreensão do magnetismo

Porém, ficavam duas grandes perguntas

Origem do magnetimo ?

Porém, ficavam duas grandes perguntas

origem de

µ

(20)

Bases da origem do magnetimo

(1897-1899) J.J. Thomson “descoberta” do elétron

Virada do Século 20: Compreensão do elétron,

do fóton e do átomo

(1900) Max Planck quantização de osciladores

(1905-1914) Einstein, Millikan efeito fotoelétrico, fótons

(1913-1926) Bohr, de Broglie teoria quântica do átomo Heisenberg, Schroedinger

dt

d

i

H

ψ

=

h

ψ

.

e

(21)

(1921) Compton

proposta do spin do elétron

A origem do momento magnético

Evolução do magnetismo no Século 20

(1922) Stern & Gerlach

medida do momento angular

e do momento magnético

do elétron no átomo

.

e

L

B

µ

−

Magneton de Bohr

(22)

O spin do elétron

µ

(1925) Uhlembeck & Goudsmit

descoberta do spin

B

µ

S

-e, m

além de carga e massa,

elétron tem

spin S

e

(23)

Origem do momento magnético

íons com camadas internas incompletas

grupo de transição do ferro

íons magnéticos

terras raras (lantanídeos)

(24)

Origem do magnetismo dos materiais

Íons do grupo de transição do ferro e de terras raras têm camadas eletrônicas incompletas, e portanto spin S e momento magnético

µ

Entrelaçamento das funções de onda de íons Vizinhos produz interação entre os spins

2 1

S

J

E

_ex

r

⋅

−

=

1

S

r

2

S

r

(25)

Magnetismo dos isolantes

momentos localizados

nos íons

Devido aos íons que possuem momentos magnéticos

interação J entre momentos

(26)

Ferromagnetismo nos isolantes

M

T

_C

(27)

Materiais ferromagnéticos:

Resposta macroscópica

M

domínios

saturação

M

_T

=0

H

M

(28)

M

_r magnetização remanente

Materiais ferromagnéticos:

Resposta macroscópica

H

M

_r

-H

_c

H_c= campo coercivo magnetização remanente

(29)

Aplicações tradicionais de Materiais magnéticos

1- Materiais “duros”-ímãs permanentes

Motores, geradores, alto-falantes, microfones

2- Materiais “moles” ou “doces”

Transformadores, geradores, motores,

cabeçotes de gravação

3- Materiais “intermediários”

(30)

Aplicações tradicionais de materiais magnéticos

Ímã Permanente

ciclo de histerese largo

motores, geradores,

(31)

Material mole (doce)

ciclo de histerese estreito

Aplicações tradicionais de materiais magnéticos

transformadores, geradores,

motores, cabeças de gravação

(32)

Meio para gravação magnética

ciclo de histerese intermediário

(33)

Evolução da gravação magnética

Aplicações em equipamentos eletrônicos

(1935)

Gravador de áudio da AEG

(1953) Gravador de vídeo da RCA

(34)

Gravação magnética em computadores

Dispositivos de memória permanente

(1952)

Tambor magnético

(1962)

_{Pilha de discos magnéticos}

(35)

Gravação magnética em computadores

Primeira memória de acesso randômico - RAM

matriz de memória e n d e r e ç

núcleo de ferrite

ç c o l u n a s amplificador de sinal endereçamento de linhas

(36)

16 K !

Gravação magnética em computadores

Primeira memória de acesso randômico - RAM

16 K !

(37)

A invenção do transistor

Em Dez/ 1947, Shockley, Bardeen e Bratain anunciaram no Bell Telephone Laboratory a invenção do transistor formado por junções de semicondutores

Shockley, Bardeen e Bratain receberam o prêmio Nobel de Física

(38)

O transistor e outros dispositivos semicondutores revolucionaram a eletrônica

A invenção do transistor

(39)

Evolução rápida e contínua da eletrônica

Em 1958, Jack Kilby desenvolve o circuito integrado

O chip revolucionou a eletrônica

39

(40)

Física da matéria condensada

Materiais

• Isolantes

• Metais

• Semicondutores

• Orgânicos

Propriedades

• Eletrônicas

• Ópticas

• Dielétricas

• Magnéticas

• Térmicas, etc

(41)

Física da matéria condensada

As descobertas em Física da Matéria

Condensada têm sido responsáveis pelos

grandes avanços na tecnologia:

Transistores

Lasers de gás, sólidos e de diodo (LED)

Fibras ópticas

Mostradores de cristal líquido (LCD) e de LED

Dispositivos magnéticos

Sensores diversos

Células foto-voltaicas

(42)

Gravação magnética em computadores

Principal meio de armazenagem de informações

unidades de fita magnética

(43)

O computador pessoal

Microprocessador

(44)

(45)

Tecnologia que emprega dispositivos

SPINTRÔNICA (ou magneto-eletrônica)

Tecnologia para o Século XXI ?

Tecnologia que emprega dispositivos operando com base nas propriedades da carga elétrica e do spin dos elétrons

(46)

Nos dispositivos eletrônicos tradicionais, o elétron “perde a memória” de seu spin nas colisões

comprimento de colisão ζζζζ

(livre caminho médio)

(47)

Nos filmes ultra-finos e nas estruturas

nanométricas o elétron atinge seu destino antes de sofrer colisões, preservando assim seu spin

livre caminho médio ζζζζ

Transporte dependente de spin

(48)

Acoplamento quântico entre camadas

Magneto-resistência gigante

Válvula de spin

SPINTRÔNICA:

Descobertas “recentes” em

multicamadas magnéticas

Válvula de spin

Efeito Hall de spin

Efeito Hall de spin inverso

Efeito Seebeck de spin

(49)

Multicamadas magnéticas

camada de proteção camada de proteção

camada de aprisionamento ou de adaptação substrato (Si, GaAs, SiO₂, MgO, ..)

filme não-magnético (Cu, Cr, Ag, Ru, AlO...) filme magnético (Fe, Ni, Co, FeNi, FeCo,...)

(50)

Descobertas recentes: Acoplamento quântico

(1986) P. Grünberg

acoplamento através de camada metálica não-magnética (NM)

(1989) S. Parkin

sinal varia com espessura da inter-camada

~ 1.0 nm NM FM FM ~ 1.5 nm NM FM FM antiferromagnético J < 0 ferromagnético J > 0

(51)

Descobertas recentes:

Magneto-resistência gigante GMR

(1988) Mario Baibich, A. Fert et al

(52)

Origem da magneto-resistência

transporte do elétron dependente de spin (d << ζ )

M

₂

M

₁ r

M

₂

M

₁ r R r R r r R R ALTA resistência BAIXA resistência R

(53)

Physics of the iPod awarded Nobel Prize

The Associated Press Published: October 9, 2007

O Prêmio Nobel de Física em 2007

Albert Fert, 69, is a professor at the Université Paris-Sud and scientific director of Unité Mixte de Physique CNRS/Thalès in Orsay, France.

Peter Grünberg, 68, is a professor at the Institute of Solid State Research in

(54)

Válvula de spin

Baixa R, baixa V Alta R , alta V

Camada sensora (NiFe, CoFe)

AF (NiO, IrMn)

Camada presa (NiFe, CoFe) Camada condutora (Cu)

Camada sensora (NiFe, CoFe)

Corrente

(55)

Cabeça de leitura de GMR

w bw

B t

(56)

Cabeça de leitura de GMR incorporada em 1999

Evolução da capacidade de armazenamento

(57)

Armazenagem de informação nos computadores

Memória RAM magnética (não volátil)

I

camada livre camada presa

AF

isolante

Como reverter a magnetização

com uma corrente?

Campo H de AF baixa R (bit 0 ) alta R (bit 1 ) bit line word line Campo H de Oersted-Ampère

(58)

O magnetismo tem sido há 4 décadas um dos campos mais férteis da física da matéria condensada