Gennady Gusev.

Este projeto propoe o estudo das propriedades opticas, eletricas, termicas e magneticasde materiais quanticos tais como: isolantes topologicos, sistemas eletronicos de Dirac, l#305;quidos despin, condensado de Bose-Einstein, e sistemas eletronicos fortemente correlacionados. Para isso seraousadas tecnicas que envolvem campos magneticos intensos e baixas temperaturas. Espera-se que esses estudos contribuam com o avanco da area de novos materiais quanticos e que ao final se possa entender melhor a natureza das suas propriedades f#305;sicas, objetivando o dom#305;nio dos processos de fabricacao e suas potenciais aplicacoes

A presente proposta de projeto Temático dá continuidade a pesquisas em novos materiais envolvendo campos magnéticos intensos e temperaturas muito baixas, realizadas no âmbito do Temático anterior (Proc. 07/50968-0 da FAPESP), terminado em 30 de maio de 2014. O Laboratório de Novos Materiais Semicondutores e Laboratório de Estado Sólido e Baixas Temperaturas (LESBT) do Departamento de Física dos Materiais e Mecânica (DFMT) do Instituto de Física da USP reúne infraestrutura e técnicas necessárias para a utilização de campos intensos e baixas temperaturas sendo por isso o principal centro em que os experimentos serão realizados. Os programas versam sobre: - materiais avançados (estudo do transporte em isolantes topológicos como poços quânticos de HgTe, e estudo do transporte quântico em grafeno); - materiais semicondutores (estudo do transporte em Bi2Te3 e estruturas IV-VI); - óxidos magnéticos diluídos (propriedades elétricas e magnéticas de ZnO, TiO2, SnO2 e CeO2) - materiais magnéticos frustrados (estudo das propriedades de pirocloros e espinélios principalmente baseados no íon de Gd); - materiais magnéticos orgânicos (envolvendo principalmente os radicais BImNN, MNPP e BABI); - magnetismo e supercondutividade (estudo de compostos a base de FeAs); - efeito magneto-elétrico (principalmente em sistemas baseados no composto NiCl2.4SC(NH2)2). Além do grupo do LNMS liderado pelo Prof. Gennady Gusev, participam deste projeto, diretamente, o grupo do Laboratório de Estado Sólido e Baixas Temperaturas liderado pelo Prof. Valmir Chitta , o Grupo de Propriedades Óticas e Magnéticas dos Sólidos (GPOMS) do Instituto Gleb Wataghin da UNICAMP, liderado pelo Prof. Pascoal Pagliuso e Grupo de Física de Semicondutores do Intistuto de Física de São Carlos/USP liderado pelo Prof. Yury Pusep, colaboram, também, o grupo do Laboratório de Sensores e Materiais do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (LAS/INPE), liderado pelo Dr. Eduardo Abramov, e vários grupos do exterior (Russia, França e Estados Unidos).

Propomos a pesquisa de sistema eletron-buraco bidimensional em estruturas semicondutoras de HgTe/CdTe. Nestes sistemas principalmente é esperada a formação do chamado éxciton isolante sugerido inicialmente por N. Mott. O concepto do éxciton isolante pode ser explicado do seguinte modo: em um semimetal com densidades baixas o qual para elétrons e buracos a interação de Coulomb não é mais reduzida pela blindagem e pode resultar na formação de estados acoplados elétron-buraco, o fato é que o éxciton é uma partícula neutra, e o sistema nessas condições se converte em um isolante.

Resumo da proposta

A recente descoberta de isolantes topológicos, assim como outros avanços em física de matéria condensada básica, permite novas aplicações que exploram este novo conhecimento. As propriedades de superfícies desses isolantes podem resultar em novos dispositivos spintronicos ou magnéticos. Além disso, em combinação com supercondutores, isolantes topológicos podem levar a uma nova arquitetura de computadores quânticos com bit que possuem propriedades topológicas. Esses isolantes já tiveram um impacto considerável em física de matéria condensada, deixando bem claro que os efeitos topológicos que foram previstos somente para as temperaturas baixas e campos magnéticos altos e podem determinar a física de materiais de sistemas macroscópicos em condições ambientais.

Propomos a pesquisa de estados de isolantes topológicos e o efeito Hall quântico de spin (quantum spin Hall effect ?QSHE) em estruturas semicondutoras de HgTe/CdTe produzidas no Instituto da Física de Semicondutores, o Novosibirsk. Este sistema é caracterizado pelos efeitos de spin orbita de Rashba mais fortes (conseguindo dezenas meV e respectivamente sendo comparável com a energia de Fermi). 

O estudo de isolantes topológicos e o efeito Hall quântico de spin em estruturas semicondutoras de HgTe/CdTe e as colaborações entre IFUSP e Instituto da Física de Semicondutores começaram em 2007 com propostas para a FAPESP (auxílios a pesquisadores visitantes: 2007/07953-2, 2008/09212-2, 2010/10097-3). Vários trabalhos já foram publicados e submetidos (entre deles 1 Physical Review Letters) envolvendo o uso destas amostras [Ref.1-3], e vários trabalhos estão em fase de preparação. 

Alguns benefícios deste projeto serão: a evolução de conhecimento da Física dos sistemas nanoestruturados, o desenvolvimento das técnicas de caracterização de poços quânticos de HgTe da alta qualidade e a aplicação possível deste conhecimento (ou as suas conseqüências) em futuros dispositivos em spintronica

Os poços duplos (DQW), triplos (TQW) e quádruplos (QQW) são sistemas formados por dois, três e quarto poços separados por finas barreiras de potencial. O acoplamento entre os poços introduz um novo grau de liberdade quântico. Como resultado, estes sistemas permitem estudar uma variedade de fenômenos interessantes os quais não são observados em sistemas convencionais de camadas bi-dimensionais. Por exemplo, além das conhecidas oscilações Shubnikov-de Haas observadas em monocamadas com uma sub-banda ocupada quando os níveis de Landau passam consecutivamente pelo nível de Fermi, um sistema de monocamadas acopladas com duas sub-bandas ocupadas exibe oscilações adicionais magneto inter sub-banda (MIS) devido ao alinhamento dos níveis de Landau de ambos os poços com o nível de Fermi. Nesta proposta de pesquisa, planejamos realizar um estudo sistemático dos fenômenos de transporte quântico nestes sistemas incluindo medidas de novos efeitos nas oscilações, tais como oscilações na resistência induzidos por microondas, estados de resistência zero, oscilações de magneto-fônons devido à interação com fônons acústicos e novos estados coerentes no regime do efeito Hall quântico. O principal objetivo deste projeto é adquirir novo conhecimento fundamental ao respeito da influencia do grau de liberdade quântico produzido pelo acoplamento de tunelamento no fenômeno de magneto-transporte. 
Para ambos os grupos no Brasil e na França, alguns dos benefícios deste projeto são: a evolução no conhecimento da física fundamental relacionada, o desenvolvimento das técnicas de crescimento necessárias para produzir amostras de poços quânticos duplos, triplos e quádruplos de alta qualidade, e a possível aplicação deste conhecimento e das suas conseqüências em futuros dispositivos. De forma complementar, a continuidade da colaboração entre as duas instituições deve permitir projetos futuros em comum e a troca de conhecimento e cultura.

O spin do elétron é um tema de intensa investigação atualmente na área da spintrônica ? uma nova e muito promissora linha de pesquisa que pode levar a importantes aplicações práticas na microeletrônica. O efeito Hall de spin é um método efetivo para variar a condução de corrente de spin num dispositivo de spin, fator chave em dispositivos spintrônicos. 
O objetivo principal deste projeto é o estudo do efeito Hall de spin em poços quânticos duplos de GaAs e InAs para aplicações em spintrônica. O foco principal desta proposta é a otimização da geometria da estrutura com o objetivo de aumentar a interação spin-órbita dos elétrons com a análise dos efeitos de spin em poços quânticos duplos. Este objetivo será alcançado através da realização de medidas de efeito de Kerr com resolução temporal e de transporte. 
Os benefícios deste projeto para o Brasil são o desenvolvimento de técnicas de crescimento necessárias para obter poços quânticos duplos de alta qualidade e a aplicação possível deste conhecimento (ou suas conseqüências) em futuros dispositivos.

O foco principal desta proposta é o da otimização das condições de crescimento de tais materiais e a fabricação de estruturas de poços triplos com a possibilidade de manipular o gap de tunelamento em campo elétrico e em campo magnético inclinado e a busca de novas oscilações magnéticas e efeitos quânticos. 
Os benefícios deste projeto para Brasil são o desenvolvimento de técnicas de crescimento necessárias para obtenção de poços quânticos triplos de alta qualidade e a aplicação possível deste conhecimento (as suas conseqüências) em futuros dispositivos.

Este projeto para o NSERC "Inter-American Materials Research call" esta relacionada ao desenho e planejamento de novos materias crescidos no Brasil pelo método de Epitaxia por feixe Molecular (MBE) no esforço orientado a descoberta de novas fases quânticas em poços quânticos semicondutores. Esta equipe única inclui um físico e cientista em materiais (Prof. Gusev) e um físico especializado em medições a temperaturas baixas (Prof. Gervais). Considerando a nossa experiência e habilidade, planejamos desenhar e projetar novos materiais baseados em GaAs considerando os crescidos no Brasil pelo Prof. Gusev e estudar suas propriedades quânticas por meio de medidas convencionais de transporte e com o microscópio de varredura por sonda do tipo força atômica a baixas temperaturas no laboratório do Prof. Gervais no McGill.

O objetivo principal do projeto é o de estudar novos fenômenos de transporte em poços quânticos duplos e triplos. Poços quânticos duplos ou triplos consistem de dois ou três poços quânticos (simples) separados por barreiras de tunelamento. A quantização de Landau dos estados eletrônicos se apresentam com oscilações de várias quantidades físicas como função do campo magnético aplicado. As oscilações da magnetoresistência em sólidos pertence ao fenômeno quântico mais fundamental deste tipo. Recentemente novas oscilações magnéticas inter-subanda na resistividade linear de poços quânticos duplos foram observados e analisados em nosso laboratório [1]. Também reportamos um novo tipo de ressonância na magnetoresistência induzida por microondas, causado pela absorção de ondas eletromagnéticas a freqüências combinadas T-k khc [2]. Planejamos nesta proposta estudos sistemáticos do transporte em poços quânticos duplos e triplos na presença de tanto de campos magnéticos perpendiculares quanto paralelos; campos elétricos aplicados fracos e fortes; e aplicação de radiação de microondas. 

O foco principal desta proposta é o da otimização das condições de crescimento de tais materiais e a fabricação de estruturas de poços duplos e triplos com a possibilidade de manipular o gap de tunelamento em campo elétrico e em campo magnético inclinado e a busca de novos efeitos magnéticas e efeitos quânticos. 

Os benefícios deste projeto para Brasil são o desenvolvimento de técnicas de crescimento necessárias para obter poços quânticos duplos e triplos de alta qualidade e a aplicação possível deste conhecimento (ou suas consequências) em futuros dispositivos.

Projeto de auxílio a pesquisa - Projeto Temático

O objetivo geral deste projeto é o estudo dos efeitos de spin nas estruturas de Aly Gay-1 As/AlxGax-1As, tais como os poços quânticos parabólicos largos (PQW) e poços quânticos duplos, para aplicações na spintrônica. 
	A idéia principal da computação quântica é a de substituir os bits clássicos pelo bit quântico, o qubit, que é um sistema quântico de dois níveis associado aos estados de spin up e down dos elétrons. Entretanto, a implementação prática requere o controle e a manipulação completa de cada um dos spins pela aplicação de um campo magnético estático. No entanto, isso requereria um conjunto individual de bobinas para cada spin, e cada spin deveria ser protegido dos campos dos outros spins.

CRESCIMENTO EPITAXIAL DE NOVOS MATERIAIS PARA DISPOSITIVOS SPINTRÔNICOS


O objetivo deste projeto é estudar os fenômenos físicos básicos e as propriedades de estruturas de AlyGay-1As/AlxGax-1 para aplicações em spintrônica. As propriedades de spin nestes materiais dependem fortemente das composições x e y de Al. Isto abre novas possibilidades para sintetizar materiais com uma estreita diferença entre as energias de ?spin up? e ?spin down? de elétrons bidimensionais na presença de campo magnético. Esta propriedade permite a fácil manipulação do spin eletrônico através da aplicação de um campo elétrico externo. Neste projeto investigaremos os efeitos da composição de Al sobre a polarização de spin e o transporte de elétrons bidimensionais em estruturas AlyGay-1As/AlxGax-1As. Como aplicação destes resultados, construiremos um transistor de spin, uma nova geração de dispositivos eletrônicos baseados no fluxo de spin em adição ao fluxo de carga. O orçamento aqui proposto visa garantir condições satisfatórias para o andamento dos trabalhos deste projeto.

Projeto de cooperação internacional - Edital 020/2004 - EUA - CNPq/NSF
Processo nº 490505/2004-0Estudo da interação de spin eletrônica nuclear em nanoestruturas semicondutoras: objetivo, dispositivos de memória para spintrônica

Título: "Valor concedido: R$38.000,00 (R$19.000,00 em 2005)
Vigência: 23/05/2005 a 23/05/2007

TRANSPORTE EM NANOESTRUTURAS COM FORTE INTERAÇÃO ELÉTRON-ELÉTRON
O objetivo geral do projeto é o estudo das propriedades de transporte de nanoestruturas com forte interação elétron-elétron. A próxima geração de dispositivos semicondutores estará sem dúvida baseada nas regras da mecânica quântica e a pesquisa de fenômenos físicos básicos muito interessantes tais como, o caos quântico e a correlação elétron-elétron em esses dispositivos será necessária, para uma possível aplicação em dispositivos. Os problemas físicos e tecnológicos a serem considerados em este projeto poderão estimular o maior desenvolvimento da física de nanodispositivos no Brasil e a França.

Transporte eletrônico em sistemas mesoscópicos
Agência Financiadora: FAPESP - Processo no: 2002/11210-1

Crescimento, Propriedades Estruturais, Óticas e de Transporte de Nanoestruturas Semicondutoras Derivadas de Compostos III-V
O O tema do presente projeto é o estudo experimental e teórico de nanoestruturas semicondutoras ou sistemas de baixa dimensionalidade baseados em compostos das colunas III-V da tabela periódica. O projeto refere-se ao crescimento e estudo básico (experimental/teórico) e aplicado de nanoestruturas epitaxiais semicondutoras crescidas por "Molecular Beam Epitaxy" (MBE) derivadas de GaAs/AlGaAs, GaAs/InGaAs, GaAs/AlInAs, GaN/InGaN, GaN/AlGaN e suas dopagens tipo n e p. O projeto se desenvolverá no Laboratório de Novos Materiais Semicondutores do Instituto de Física da USP por uma equipe de cinco professores deste Instituto em tempo integral, seis professores colaboradores, três pós-doutorandos da FAPESP, dois técnicos de laboratório de nível médio, um técnico administrativo nível superior, vinte e três estudantes de doutorado, catorze de mestrado e dezesseis de iniciação científica. Nos últimos cinco anos o LNMS formou 6 doutores, 14 mestres e publicou 88 trabalhos em revistas internacionais. Dentro do tema do projeto, a equipe do LNMS desenvolve várias linhas de pesquisa, entre elas o crescimento e preparação de amostras para a pesquisa básica e para a fabricação de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. A parte referente à fabricação e caracterização dos dispositivos é desenvolvida em parceria com o Laboratório de Microeletrônica (LME) da Escola Politécnica da USP. As amostras são crescidas no MBE do Laboratório e são baseadas nos elementos Ga, As, Al, In e no dopante Si. Além das amostras crescidas para o desenvolvimento das linhas de pesquisa do próprio LNMS, desde 1991, são crescidas amostras para outros grupos do país.

PROPRIEDADES DE TRANSPORTE DE UM GÁS DE ELÉTRONS BIDIMENSIONAL (2DEG) ACOPLADO À SISTEMA DE PONTOS QUÂNTICOS AUTO-CONSTRUIDOS.

Os pontos quânticos semicondutores têm atraído muita atenção devido à sua importância tanto na física fundamental quanto na aplicação à dispositivos eletrônicos. Uma destas estruturas importantes são os pontos de dimensões nanométricas que podem ser formados por crescimento epitaxial do tipo Stranski-Krastanov. Com este processo pontos quânticos de InAs podem ser fabricados sobre um substrato de GaAs. Embora já se tenha feito estudos das propriedades ópticas do confinamento de portadores em pontos quânticos, o transporte de um 2DEG através de pontos quânticos e as propriedades dos pontos quânticos acoplados à pontos auto-construídos ainda não foram estudadas. Estas propriedades de transporte são extremamente importantes para a aplicação em dispositivos como os transistores de um elétron. Como um exemplo, através da variação da voltagem o nível de Fermi pode ser deslocado através de todo o espectro quântico em um ponto de InAs. Quando, para uma certa voltagem, o nível de Fermi está alinhado com um nível quântico de InAs haverá um fluxo de elétrons para este nível quântico. Em conseqüência, o pico de corrente pode ser observado para a voltagem correspondente. Pelo fato da energia da carga de um elétron ser importante em um ponto quântico, etse tipo de transistor é chamado de "Coulomb Blockade" ou transistor de um elétron. Por outro lado, os níveis de energia de um sistema de pontos quânticos separados por uma barreira de energia podem ser usados para governar o processo de espalhamento de um 2DEG . Os níveis de energia das impurezas não desempenham papel algum no espalhamento. Experimentalmente isso também é claro, já que usualmente o potencial caotico vem de doadores em níveis de energia substancialmente mais altos que o nível de Fermi.

"Mesoscopic transport in semiconductor dots and antidots: contribution to the alternative electronic device"

Tunneling effects in a two dimensional electron gas in the Hall insulator regime