PEEMSPropriedades Eletrônicas e Estruturais de Metais e Semicondutores

PEEMS

O Grupo de Propriedades Eletrônicas e Estruturais de Metais e Semicondutores faz pesquisas teóricas em novos materiais, com interesses que podem ser classificados em duas vertentes principais: nanoestruturas semicondutoras e fotônica (esta última envolvendo também a recente área da plasmônica). A equipe mantém colaborações com diversos grupos no Brasil e exterior.

Informações adicionais sobre as equipes brasileira e estrangeira do Grupo:

Brasil:
  • Luiz E. Oliveira, Instituto de Física, UNICAMP (Campinas-SP) – coordenador
  • A. Bruno-Alfonso, Departamento de Matemática, UNESP (Bauru-SP)
  • Carlos A. Aragão de Carvalho, Inst. de Física, UFRJ
  • R. R. dos Santos, Inst. de Física, UFRJ
  • Felipe A. A. Pinheiro, Inst.de Física, UFRJ
  • S. B. Cavalcanti, Inst. de Física, Univ. Federal de Alagoas – UFAL
Chile:
  • M. Pacheco, Depto. de Física, Univ. Técnica Federico Santa Maria, Valparaíso
  • P. Ulloa (estudante, doutorado)
Colombia:
  • N. P. Montenegro, Depto. de Física, Univ. del Valle, Cali
  • C. Agudelo-Arango (estudante, mestrado)
  • J. R. Mejía Salazar (estudante, doutorado)
  • E. A. Reyes-Gómez, Depto. de Física, Univ. de Antioquia, Medellin

Nanoestruturas semicondutoras

Materiais nanoestruturados são aqueles com estruturas de até aguns nanômetros de diâmetro – tipicamente algumas dezenas de átomos. Sendo tão pequenos, efeitos quânticos tornam-se pronunciados e o material apresenta propriedades macroscópias bem diferentes das situações comuns. Projetando-se diferentes nanoestruturas, é possível manufaturar novos materiais com aplicações tecnológicas novas e investigar fenômenos físicos ainda não bem compreendidos ou mesmo desconhecidos.

Nanoestruturas semicondutras, por exemplo, são exploradas tendo em vista a miniaturização crescente da microeletrônica e dos dispositivos optoeletrônicos. Além disso, elas constituem um dos meios de se implementar os bits de computadores quânticos, ou qubits. O grupo investiga, como pesquisa básica, um dos principais materiais estudados nessa área, o GaAs-(Ga,Al)As, na forma de poços quânticos, fios de poços quânticos, caixas quânticas e nanoestruturas periódicas.

Nanoestruturas periódicas

Esquemas de vários tipos de nanoestruturas periódicas: em uma, duas e três dimensões

A ideia é simular teoricamente, por meio de cáculos computacionais, como as nanoestruturas se comportam em situações que acontecerão nas aplicações tecnológicas ou em pesquisas de laboratório. Uma delas se dá quando se aplica sobre os nano-objetos campos elétricos e magnéticos com diferentes intensidades – afinal, em dispositivos eletrônicos, esses campos estarão presentes o tempo todo. Outra aparece quando o material está submetido a raios lasers – pois a luz deste é o principal transportador de informação dentro de dispositivos optoeletrônicos; além disso, é com lasers que são realizadas diversas manipulações necessárias nas aplicações (como trocar o valor dos qubits). Uma terceira situação é simulada com a variação da pressão hidrostática, pois muitos dos novos materiais nanoestruturados reagem de forma peculiar quando submetidos à pressão, fenômeno que pode ser aproveitado para novas aplicações e para o estudo mais aprofundado da física envolvida nesses processos.

“Simular” como as nanoestruturas se comportam nessas situações significa analisar teoricamente como suas propriedades variam quando submetidas a elas, ou seja, como variam sua taxa de absorção de luz, a reemissão de luz após absorvê-la (fotoluminescência), como acontecem as transições para estados energéticos excitados, como se dá a formação de associações entre elétrons e lacunas de elétrons (os excitons) e como eles se comportam e formam complexos. Os resultados dos cáculos são comparados com dados experimentais de outros grupos de pesquisa, para que a articulação entre teoria e experimento possa elucidar melhor a fisica envolvida nesses fenômenos.

Nanoestruturas semicondutoras magnéticas

Um caso mais específico de nanoestruturas semicondutoras é aquele no qual estão envolvidos materiais magnéticos. O interesse nessa situação é que, por um lado, o funcionamento dos dispositivos semicondutores baseia-se em propriedades relacionadas à carga elétrica (como as correntes elétricas); e, por outro, a leitura e armazenamento magnético de informações (como nos discos rígidos de computador) está associada ao spin dos elétrons de materiais magnéticos. A ideia é explorar as possibilidades de uma associação entre as duas tecnologias.

Como fazer isso? Há basicamente dois tipos de associação já investigadas pelo grupo: materiais formados de camadas intercaladas (cada uma com nanômetros de espessura) de materiais semicondutores não-magnéticos e (1) metais ferromagnéticos, ou (2) semicondutores dopados com materiais magnéticos. Investiga-se, então, como as propriedades desses sistemas variam com a espessura do espaço entre as camadas, a temperatura, o grau de dopagem etc. Também podem ser estudadas a influência de defeitos nas nanoestruturas nas propriedades do material como um todo. Exemplos de materiais a serem analisados são compostos principalmente de gálio, manganês e arsênio, mas também de vanádio, cromo, nitrogênio e gadolínio.

Nanoestrutura magnética

Exemplo de nanoestrutura magnética. Em uma rede cristalina de gálio (átomos cinzas), alguns deles são trocados por átomos de manganês (representados em vermelho, azul e amarelo). As substituições formam "células" que se repetem através da rede (na figura, são mostradas oito células idênticas, quatro no plano da frente e quatro no do fundo).
Fonte: da Silva et al., Phys. Rev. B 72, 125208 (2005)

Neste tema, os membros do Grupo estão interessados no estudo de alguns problemas específicos:

  • Efeitos de lasers intensos em nanoestruturas semicondutoras, envolvendo processos multifotonicos, excitons e impurezas: Em particular, estamos interessados em investigar sistemas de matéria condensada que podem ser apropriados para aplicações em computação quantica e na física de mecanismos de decoerencia em tais sistemas. Nossa equipe de investigação tem considerável experiencia na investigação de oscilações de Rabi e efeitos de decoerencia associados a sistemas semicondutores de dois níveis, e de efeitos de laser intensos em nanoestruturas semicondutoras. Nosso propósito é continuar nesta linha de pesquisa, com possível enfase em processos multifotonicos e possíveis aplicações em computação quantica de estados excitonicos e de impurezas em nanoestruturas semicondutoras;
  • A engenharia do fator g de Landé: A Física de nanoestruturas semicondutoras tem sido largamente estudada nas últimas décadas e atenção especial tem sido dada ao estudo do comportamento de spins, devido ao possível uso do spin eletronico na arquitetura de computadores quanticos baseados em sistemas de matéria condensada. A operação “single qubit” é essencialmente realizada através do acoplamento com um campo magnético externo e é então de importancia fundamental que estados puros de spin existam de forma a garantir que não ocorram perdas quando os spins transportam informação. Isto pode ser obtido através da manipulação do fator g de Landé do elétron em nanoestruturas semicondutoras constituindo dispositivos controladores apropriados de “gate” externos. Note-se que o fator g do electron de condução em nanoestruturas semicondutoras pode variar apreciavelmente devido a efeitos de rede na contribuição orbital, confinamento quantico, efeitos de campos aplicados e de pressão hidrostatica. O grupo tem considerável experiencia nesta área e estamos interessados no estudo do fator g de Landé e massas ciclotronicas em geral, com a possível utilização e investigação de efeitos de inclusão de termos de não-parabolicidade na descrição de elétrons e buracos em poços, fios e pontos quanticos semicondutores; o estudo de efeitos do termo de Dresselhaus e Rashba poderá ser também objeto de investigação;
  • Estudar uma série de propriedades eletrônicas, ópticas e de excitons e impurezas em nanoestruturas semicondutoras.

Fotônica

Assim como a eletrônica está associada a uma tecnologia baseada no elétron, a fotônica baseia-se na luz (fótons). Sua principal aplicação é a transmissão e o processamento de informações codificadas na forma de laser, por meio de fibras ópticas, amplificadores ópticos e outros dipositivos. Com o avanço dessa área, cientistas e tecnólogos passaram a pensar em transformar toda a tecnologia dos sistemas de comunicação (e não apenas a transmissão) para suas versões ópticas: assim, seriam construídos computadores ópticos, que funcionariam com microdispositivos fotônicos no lugar dos de semicondutor.

Fundamentais nessas pesquisas são os cristais fotônicos, que são materiais formados de nanoestruturas que se repetem através do seu volume, sendo intercaladas entre si partes com diferentes índices de refração. O grupo investiga em particular os cristais fotônicos nos quais um dos componentes possui índice de refração negativo – os chamados metamateriais. Estes foram previstos teoricamente em 1968, mas apenas recentemente foram obtidos os primeiros exemplos em laboratório. Os cientistas passaram então a explorar essa nova porta aberta – quais aplicações ela possibilitaria e o que se poderia aprender sobre física nova com ela. Mais especìficamente, muitos cristais fotônicos são caracterizados pela periodicidade de sua constante dielétrica, a qual é responsável pelo aparecimento de uma banda proibida de freqüências, mais conhecida como bandgap fotônico, que é o análogo óptico do bandgapeletrônico em semicondutores. Assim, esses cristais não permitem a propagação, em seu interior, de fótons com freqüências dentro do bandgap.

O conceito básico por trás dos cristais fotônicos foi proposto em trabalhos desenvolvidos por Yablonovitch e John, que sugeriram a forte influência dessas estruturas nas propriedades de fótons, de maneira análoga àquela em que cristais semicondutores afetam as propriedades de elétrons. Nos últimos cinqüenta anos, a tecnologia de semicondutores desenvolveu um papel importante em quase todos os aspectos da nossa vida diária. Entretanto, a corrida pela miniaturização e também pelo desempenho em altas velocidades de circuitos integrados eletrônicos tem esbarrado em circuitos com resistência alta e portanto com altos níveis de dissipação de potência.

Para progredir na integração de alta densidade e também no desempenho dos sistemas, pesquisadores estão direcionando seus esforços para substituir os elétrons como transportadores de informação, por fótons. Existem inúmeras vantagens em se usar luz ao invés de elétrons, tais como: fótons viajam através de materiais dielétricos em velocidades muito mais altas do que eletrons em um fio metálico; a luz pode carregar uma quantidade muito maior de informação por segundo; a largura de banda dos materiais dielétricos é muito maior do que a dos metais; fótons não interagem tão fortemente implicando em uma grande redução nas perdas de energia.

O objetivo geral do presente projeto é então entender e descrever teoricamente as propriedades físicas de cristais fotônicos formados por diferentes materiais dielétricos. O Grupo pretende dar continuidade ao estudo já iniciado acerca da propagação de luz através de estruturas periódicas unidimensionais, dentro do formalismo de Maxwell e usando técnicas de matriz de transferência. O estudo será estendido a estruturas bidimensionais e tridimensionais usando simulações núméricas e o método de diferenças finitas no domínio temporal, que consiste na integração temporal numérica da equação de Maxwell, conhecido por produzir resultados razoavelmente precisos. Serão estudadas também as propriedades de polaritons de plasmons em super-redes fotonicas periódicas, super-redes fotonicas quase-periódicas e desordenadas e o estudo da supressão da localização de Anderson em sistemas fotonicos contendo metamateriais. O objetivo é compreender os mecanismos físicos responsáveis por essas propriedades e investigar a possibilidade dessas estruturas apresentarem, em certas condições, comportamentos novos, controláveis e que sejam de interesse científico e/ou tecnológico.