Módulos

Nanoestruturas, na forma de filmes finos e nanopartículas são genuinamente de grande importância tecnológica devido ao seu amplo número de aplicações em catálise, fotônica, magnetismo e mais recentemente na entrega seletiva de medicamentos em organismos vivos. Aplicações proeminentes desses materiais na vida cotidiana ocorre, por exemplo, em sensores de gases que permitem a detecção de moléculas com base em transistores óxido-metal-semicondutor (MOSFET). Em tais dispositivos pequenos modulações da condutância na superfície do dispositivo modifica criticamente as características elétricas monitoradas. Assim, é fácil imaginar que o desempenho desses dispositivos, como durabilidade e sensibilidade dependa fortemente das características químicas da superfície, como estequiometria, fase cristalográfica  e estrutura eletrônica do óxido metálico. Portanto, esses dispositivos podem ser modificados e aperfeiçoados selecionando adequadamente nanopartículas depositadas sobre este, pois estas possuem uma densidade de sítios reativos significativamente maior quanto comparadas a seus pares macroscópicos.
Este módulo será dedicado ao estudo do crescimento e caracterização química e morfológica de nanoaglomerados depositados sobre substratos cristalinos. Nestes sistemas, os modos de crescimento de filmes finos e a formação de nanocristalinos é tal que as propriedades funcionais da superfície depende fortemente da interação depósito-substrato. As energias livre de superfície do materiais envolvidos,  determina as característica morfológica do sistema e o mecanismo de adsorção a química da interface. Diversas aplicações tecnológicas desse mecanismo, de nucleação e crescimento de nanoestruturas, serão discutidas neste módulo do ponto de vista teórico e esses modelos verificados experimentalmente a partir de experimentos utilizando técnica sensíveis a superfície dos materiais.

O efeito Kondo foi observado pela primeira vez em 1934 como um mínimo nas curvas de resistividade elétrica em função da temperatura, em baixas temperaturas, em ouro e foi explicado por Kondo em 1964, tendo em conta o espalhamento dos elétrons de condução por impurezas magnéticas.
A resolução do problema Kondo levou à progressos teóricos significativos, incluindo a formulação de leis de escala, o desenvolvimento do grupo de renormalização numérico, bem como a aplicação da teoria líquido de Fermi fenomenológica. O interesse experimental aumentou no final dos anos 1990 devido a avanços na de fabricação de nanodispositivos artificiais e no descobrimento de novos compostos tipo férmions pesados, que podem apresentar pontos críticos quânticos.
Em uma rede na qual as “impurezas” magnéticas estão distribuídas periodicamente, ou seja, cada célula unitária contém, pelo menos, um momento localizado, também ocorre o efeito Kondo, e essa rede é chamada de rede de Kondo. A resistividade também passará por um mínimo quando os elétrons de condução começarem a blindar o íon magnético. Contudo, conforme a temperatura decresce, o processo de blindagem irá ocorrer para todos os sítios na rede e, assim, o forte espalhamento em cada sítio torna-se progressivamente coerente. Tal fenômeno acontece até que o espalhamento se torna totalmente coerente e ocorre uma queda no valor da resistividade elétrica, aparecendo um máximo abaixo do mínimo de resistividade. Redes de Kondo são comuns em compostos contendo íons de Ce, Yb ou U. A competição entre as interações magnéticas e o efeito Kondo gera diversos fenômenos físicos interessantes tais como criticalidade quântica e supercondutividade, entre outros.
Neste módulo iremos desenvolver atividades teóricas e experimentais relacionados a fenômenos emergentes, ao exploraremos redes de Kondo.

De acordo com a teoria da Mecânica Quântica, para descrever corretamente um sistema quântico  e seus processos devemos utilizar o espaço de Hilbert. Este espaço hipotético cresce exponencialmente com o número de partículas presentes no sistema. Por exemplo, este deve ter a dimensão 2x2 (matrizes) para um simples sistema de dois níveis, como no caso de partículas com spin S = 1/2. Para um sistema contendo n partículas deste tipo este espaço deve ter 2nx2n.  Ou seja, para um sistema contendo 10 partículas de spin S = 1/2, devemos trabalhar com matrizes complexas de 1024x1024. Por isso, somente um sistema quântico (computador quântico) pode simular de maneira eficiente um outro sistema contendo várias partículas. Esta foi a ideia percussora que fez surgir a área de Informação Quântica, que estuda como processar e armazenar a informação contida em sistemas quânticos.
A Ressonância Magnética Nuclear é um técnica experimental, conhecida por décadas e com diversas aplicações. Esta foi pioneira na implementação experimental de diversos algoritmos e protocolos quânticos, e tem sido aplicada com sucesso em diversas simulações experimentais de sistemas quânticos e também na implementação de vários protocolos e estudos na área de Informação Quântica.

Neste módulo, faremos uma pequena introdução à RMN e também à alguns aspectos da teoria de Informação Quântica. Os alunos farão alguns experimentos de RMN que permitem a manipulação da informação quântica armazenada nos spins nucleares.

O entendimento da natureza do ponto de vista microscópico é um processo desafiador do ponto de vista experimental que vem se desenvolvendo desde os gregos com o conceito do atomismo. Em particular, desde o final do século XIX, com a descoberta do elétron por J. Thompson e do núcleo atômico por Rutherford, a Física de partículas vem evoluindo em ritmo exponencial em grande medida retroalimentada pela instrumentação criada para suprir os próprios desafios. Como fruto da parceria entre a física experimental e teórica temos atualmente um modelo consistente e baseado em princípios simples de simetria, que explica as interações fundamentais em termos de 2 categorias de partículas elementares, quarks e leptons, e de 3 campos de calibre, força eletromagnética, fraca e forte.
O envolvimento de escalas de energia extremamente altas tanto para a criação de estruturas mais pesadas como para acessar pequenas dimensões, além da necessidade de acumular grandes quantidades de dados para viabilizar a descoberta de processos raros, teve como consequência a criação de grandes colaborações internacionais compostas por vários laboratórios, cada um com tarefas específicas dentro do projeto científico.

Este módulo do curso apresentará teoria e prática da física dos detectores de partículas e radiações, instrumentos indispensáveis à exploração do mundo subatômico, seja nos laboratórios onde se fazem colisões, seja em experimentos que se utilizam de raios cósmicos. Discutiremos os princípios físicos da interação da radiação com a matéria, o histórico do desenvolvimento dos detectores, princípios de funcionamento de detectores de partículas neutras, carregadas e de radiações, bem como outras aplicações tecnológicas. Os alunos terão acesso a demonstrações de diversas técnicas de detecção e da respectiva aquisição de dados. Realizarão de forma completa as medidas do fluxo de múons cósmicos e da rapidez de propagação da radiação eletromagnética utilizando técnicas de física de altas energias. Estas medidas serão realizadas em rodízio para cada aluno ter mais contato com a instrumentação envolvida. O módulo também prevê a análise de dados reais do experimento CMS/LHC relacionados a descoberta do bóson de Higgs.

Nos últimos anos, muita atenção vem sendo dada ao estudo dos materiais magnéticos nano-estruturados, o nanomagnetismo. A grande atualidade deste assunto reside igualmente em aspectos fundamentais e tecnológicos. As novas ferramentas de fabricação e análise de sistemas cujas dimensões são da ordem de dezenas de nanometros, descortinou um novo mundo e uma série de novos efeitos e potencias aplicações surgiram. Dentre as vertentes, aquela que chama mais atenção é a spintrônica, ou seja, o análogo a eletrônica que conhecemos, porém, no lugar do protagonista ser apenas a carga elétrica, a spintrônica tem como peça fundamental o spin do elétron. Neste contexto, sistemas que se encontram em evidência são os sólitons magnéticos, tais como os vórtices e os skyrmions. Este tutorial será dedicado ao estudo de vórtices magnéticos. Nestes sistemas a configuração magnética é tal que os momentos magnéticos são confinados ao plano e tangenciais a círculos concêntricos. O sentido de rotação destes momentos define uma das características fundamentais do vórtice, que é sua circulação, podendo ser horária ou anti-horária.  No centro do vórtice existe uma singularidade, onde a magnetização é ortogonal ao plano, e chamada núcleo do vórtice. Do núcleo emerge uma segunda característica do vórtice, que é sua polaridade, associada ao sentido de sua magnetização, para cima ou para baixo. A combinação destes duas quantidades (circulação e polaridade) impõe ao vórtice quatro estados degenerados. Esta configuração peculiar de momentos magnéticos é imposta, principalmente, pela competição entre dois termos importantes de energia, a magnetostática e a de troca. Diversas aplicações de vórtices magnéticos no contexto da spintrônica vêm sendo aventadas, tais como memórias lógicas, nano-osciladores, em biomedicina, dentre outras. Contudo, para que o efetivo emprego destes sistemas em dispositivos spintrônicos se torne uma realidade, existe a necessidade de melhor entendermos os processos físicos envolvidos na formação, estabilização e dinâmica dos vórtices.

O objetivo deste módulo é fazer com que alunos tenham um primeiro contato com o nanomagnetismo e com a spintrônica, assim como com técnicas experimentais avançadas de nanofabricação, caracterização e modelagem de nanoestruturas magnéticas. Para isso, será apresentado um problema de interesse atual, mais objetivamente, o estudo das propriedades de vórtices magnéticos.