Iouri Poussep.

A banda de terahertz do espectro eletromagnético (1 THz ~ 4.1 meV) cobre desde 100 GHz (3 mm de comprimento de onda) até 10 THz (30 m). Esta área de difícil acesso tecnológico, localizada entre os mundos da eletrônica e da óptica, permaneceu inexplorada até o desenvolvimento de fontes acessíveis e a introdução da espectroscopia de THz no domínio do tempo (THz-TDS). Desde então, THz-TDS tornou-se uma ferramenta essencial para o estudo de excitações fundamentais na matéria condensada, medidas do índice de refração complexo e da permissividade, assim como da condutividade ótica. Com isto, foi possível aprofundar o conhecimento em física, química e biologia, proporcionando informações valiosas de fenômenos que anteriormente eram desafiadores de se investigar. Pelo lado das aplicações, esta técnica também é um instrumento valioso em campos tão diversos que vão desde a conservação do patrimônio artístico ao controle de qualidade industrial. Com a excepcional vantagem de permitir examinar com precisão e não destrutivamente diversos materiais, THz-TDS desempenha um papel fundamental na pesquisa médica e biomédica, possibilitando a detecção sensível e não invasiva de mudanças em tecidos biológicos e em materiais de interesse médico. A plataforma para THz-TDS solicitada nesta proposta é compacta, rápida e versátil podendo ser facilmente transportada e acoplada em mesas óticas para experimentos complexos em diversos centros de pesquisa, por exemplo, utilizando baixas temperaturas, altos campos magnéticos e outras fontes de luz. A plataforma é compatível também com microscópios de campo próximo para obter alta resolução espacial. Por outro lado, com o uso de acessórios para varredura da amostra ou do detetor, a plataforma pode ser transformada numa ferramenta ideal para imagens em diversas aplicações industriais ainda ausentes no país. Desta forma, o equipamento solicitado vai trazer alto impacto na pesquisa científica básica e inúmeras possibilidades de inovação revolucionária em aplicações industriais. Uma busca, com os termos "THz" ou "espectroscopia terahertz", na biblioteca virtual da FAPESP releva o crescente interesse em anos recentes com um aumento dos auxílios concedidos de grande porte e bolsas em todos os níveis nas diversas áreas do conhecimento básico e da engenharia; fortalecendo assim o apelo para a construção de infraestrutura multiusuário para THz-TDS. Este projeto é apoiado por pesquisadores de centros de pesquisa em THz no estado de São Paulo e sugere o envolvimento de um numero ainda maior de pesquisadores que podem ser beneficiados em outros centros e industrias.

Este projeto propõe o estudo das propriedades ópticas, elétricas, térmicas e magnéticasde novos materiais tais como: isolantes tipológicos, sistemas eletrônicos de Dirac, l#305;quidos de spin, condensado de Bose-Einstein, e sistemas eletrônicos fortemente correlacionados. Para isso serão usadas técnicas que envolvem campos magnéticos intensos e baixas temperaturas. Espera-se que esses estudos contribuam com o avanço da área de novos materiais quânticos e que ao final se possa entender melhor a natureza das suas propriedades f#305;sicas, objetivando o dom#305;nio dos processos de fabricação e suas potenciais aplicações.

Este projeto Tematico propoe o estudo das propriedades opticas, eletricas, termicas e magneticasde novos materiais tais como: isolantes topologicos, sistemas eletronicos de Dirac, l#305;quidos de spin,condensado de Bose-Einstein, e sistemas eletronicos fortemente correlacionados. Para isso serao usadas 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 difusão de buracos fotoexcitados será estudada por meio de uma microscopia de varredura por fotocorrente realizada em um canal mesoscópico formado em um poço quântico de GaAs de alta mobilidade onde os elétrons revelam propriedades hidrodinâmicas. Deste modo, a difusão dos buracos minoritários será investigada dentro do fluido viscoso dos elétrons majoritários. O tempo de recombinação e o comprimento de difusão ambos medidos em função da temperatura serão usados para provar natureza hidrodinâmica da difusão. Os resultados obtidos serão analisados no âmbito da difusão ambipolar que permite determinar o coeficiente efetivo da viscosidade dos buracos. A pesquisa proposta é diferente dos efeitos hidrodinâmicos observados até agora em sistemas eletrônicos viscosos, uma vez que no caso relatado a difusão dos buracos ocorre dentro de uma mistura binária composta pela maioria dos elétrons hidrodinâmicos e pelos buracos fotoexcitados minoritários. Na segunda parte do projeto planejamos estudar processos de recombinação e de relaxamento do spin em poços quânticos parabólicos de AlGaAs e InGaAsP em campos magnéticos altos. Os métodos empregados na proposta são: a medida direta do tempo de relaxamento do spin, o novo método recentemente desenvolvido em nosso laboratório, e a medida de comprimento de difusão. Os resultados da pesquisa podem ser importantes em desenvolvimento de dispositivos spintrônicos baseados em poços quânticos de InGaAs/InP.

Projeto Temático: O presente Projeto da continuidade a Temáticos anteriores (Processos FAPESP 99/10359-7 e 07/50968-0) cuja finalidade principal era dar suporte a pesquisas envolvendo campos magnéticos intensos e temperaturas muito baixas. A realização concomitante destas condições demanda equipamentos e técnicas especializadas. O LESBT (Laboratório de Estado Solido e Baixas Temperaturas) do Instituto de Física da USP (IFUSP) é uma facilidade equipada para estas condições. Suas bobinas supercondutoras podem produzir campos magnéticos em excesso de 20 Tesla. Seus refrigeradores de diluição, construídos com tecnologia própria e materiais não condutores, podem operar em conjunto com campos magnéticos intensos produzindo temperaturas abaixo de 10 mK. Assim, a maioria dos experimentos propostos no presente projeto serão realizados no complexo experimental do Departamento de Física dos Materiais e Mecânica do IFUSP onde estão localizados o LESBT e o LNMS (Laboratório de Novos Materiais Semicondutores), este ultimo com instrumentação para caracterização, principalmente de semicondutores. As pesquisas propostas envolvem: transporte quântico em novos materiais avançados, incluindo isolantes topológicos e grafeno coordenado pelo Prof. Gennady Gusev, chefe do Laboratório de Novos Materiais Semicondutores (LNMS) do IFUSP; novos materiais para aplicação em spintronica sob a coordenação do Prof. Valmir A. Chitta do LESBT; materiais magnéticos geometricamente frustrados e magnetismo em sistemas orgânicos coordenado pelo Prof. Rafael Freitas (LESBT); magnetismo e supercondutividade sob condições extremas em compostos a base de FeAs", coordenado pelo Prof. Nei F. Oliveira, Jr. do LESBT; sistemas altamente correlacionados: efeito magneto-eletrico" coordenado pelo Prof.Armando Paduan do LESBT; geração e mapeamento de correntes de spin" sob a coordenação do Prof. Felix G. G.Hernandez do LNMS; pontos quânticos como blocos básicos em optoeletrônica" coordenado pelo Prof. Alexandre Levine do LNMS; estudo de sistemas eletrônicos multi-componentes formados em poços quânticos múltiplos" coordenado pelo Prof. Yury Pusep do IFSC.

Este projeto tem como principal objetivo consolidar a nucleação e a liderança de um grupo de pesquisadores nacionais e internacionais numa área científica e tecnológica chave por meio da pesquisa colaborativa entre as expertises dos membros. Deve tornar mais robusta uma colaboração preexistente entre pesquisadores experimentais e teóricos através dos estudos de fenômenos relacionados aos efeitos de interfaces e confinamento, além de spin, produzidos durante o crescimento epitaxial de nanoestruturas semicondutoras: heteroestruturas, pontos e anéis quânticos e nanofios. Tais efeitos respondem pelas propriedades: ópticas, de transporte, magnéticas e piezoelétricas destes sistemas e, assim, formam os alicerces para as suas aplicações como dispositivos opto-eletrônicos e spintrônicos. De seus conhecimentos e controle resultam elementos estratégicos que pautam a evolução de perspectivas tecnológicas do desenho, síntese, processamento (dopagem, litografia, contactos elétricos, etc) e aplicação destas nanoestruturas. O projeto se baseia em cinco pilares inter-relacionados e complementares: (i) o desenho, crescimento e processamento de sistemas nanoestruturados contendo janelas ópticas e contactos elétricos; (ii) suas caracterizações estruturais; (iii) caracterização experimental das propriedades ópticas, magnéticas e de transporte; (iv) simulações teóricas, por meio de dinâmica molecular, das propriedades estruturais e dinâmicas temporais e dos efeitos quânticos associados aos elementos fornecidos via dinâmica molecular. Os problemas práticos colocados, trazem à tona questões básicas a serem estudadas, compreendidas e, possivelmente, exploradas como dispositivos. Nelas intervêm efeitos de diferentes naturezas cujos tratamentos via técnicas experimentais refinadas, assim como abordagens teóricas, abrangem várias áreas da Física.Os temas gerais envolvem abordagens teóricas e experimentais complementares, como: 1)-Controle das propriedades de spin para estados eletrônicos mediante a engenharia da estrutura eletrônica em dispositivos 0D e 1D e 2D onde processos de tunelamento possam ser manipulados por configurações de campos externos. Compreensão dos efeitos detectados nas emissões de luz polarizada e associados com a dinâmica de spins de portadores nestas heteroestruturas. 2)-Elucidação propriedades estruturais, efeitos de tensão (strain-stress) e modulações do transporte de portadores (elétrons e buracos) e da resposta óptica através de fios e pontos quânticos e sistemas heteroestruturados 1D. 3)-Estudo e exploração dos efeitos da interação spin-órbita nas propriedades de sistemas nanoestruturados: efeitos de hibridização dos estados de spin na anisotropia e na modulação da resposta óptica e manipulação de propriedades dependentes do spin eletrônico. 4)-Compreensão e caracterização do nanomagnetismo e do diamagnetismo anômalos detectáveis nas emissões de fotoluminescência em pontos quânticos com simetrias cilíndrica e anelar, em amostras com acoplamento (empilhamento) vertical e/ou alinhamento lateral. 5)-Estudo e exploração de fenômenos relacionados à interação de portadores com modos vibracionais (fônons) de sistemas confinados e suas contribuições nos processos de relaxação. 6)-Estudo e exploração da dinâmica de portadores dependente do tempo em estruturas semicondutoras com campos elétrico e magnético aplicados em diferentes configurações. 7-Elucidar formas de controle para os processos de crescimento e de dopagens nas diferentes amostras. Redesenhar, crescer e processar amostras com diferentes condições (temperatura de crescimento, adição de íons, orientação do substrato, etc), visando melhorar um funcionamento ou a eficiência em aplicação específica para um tipo de dispositivo que estamos realizando.

Os sistemas eletrônicos multicomponentes formados em hetero-estruturas semicondutores quasetridimensionais (poços quânticos múltiplos) serão investigados. Principalmente, o método de estudo de respostas ópticas de poços quânticos individuais de um sistema multicomponente, desenvolvido nos nossos trabalhos recentes, será usado. Magneto-fotoluminescência resolvida em tempo e medidas de magneto-transporte serão realizadas. O sistema eletrônico unidimensional modulado por potencial de multicamadas apresenta um objeto único, onde os efeitos de interação entre os elétrons podem causar efeitos novos, previstos teoricamente. Além disso, os efeitos de interação entre os elétrons serão investigados em poços quânticos múltiplos baseados em ligas AlGaAs e InGaAsP. A interação entre os elétrons resulta na formação de estados quânticos coletivos e fundamentalmente determina a redistribuição espacial e na escala energética de elétrons em poços quânticos múltiplos, causado pelo campo magnético. O estudo de efeitos coletivos em sistemas eletrônicos multi-componentes é o objetivo principal desse projeto.

Os sistemas eletrônicos multicomponentes formados em hetero-estruturas semicondutores unidimensionais (nano fios) e tridimensionais (poços quânticos múltiplos) serão investigados. Utilizando medidas de espalhamento Raman, de magneto-fotoluminescência resolvida em tempo e de magneto-transporte planejamos estudar as propriedades estruturais e eletrônicas em vários tipos de fios quânticos compostos de hetero-estruturas semicondutoras multicamadas GaAs/GaP e InAs/InP crescidas por epitaxia de feixes moleculares. O objetivo desta parte do projeto é desenvolver métodos de fabricação de dispositivos baseados em hetero-estruturas multicamadas formados em nano fios que podem ser utilizados em dispositivos nano-fotônicos principalmente, como células solares. Ainda mais, o sistema eletrônico unidimensional modulado por potencial de multicamadas apresenta um objeto único, onde os efeitos de interação entre os elétrons podem causar efeitos novos, recentemente previstos teoricamente. Além disso, os efeitos de interação entre os elétrons serão investigados em poços quânticos múltiplos baseados em InGaAsP. A interação entre os elétrons fundamentalmente determina a re-distribuição espacial de elétrons em poços quânticos múltiplos, causado pelo campo magnético.

Os sistemas eletrônicos multicomponentes formados em heteroestruturas semicondutoras unidimensionais (nanofios) e tridimensionais (poços quânticos múltiplos) serão investigados. Utilizando medidas de magneto-fotoluminescência resolvida em tempo, planejamos estudar a formação de estados eletrônicos nas bandas de condução e de valência em vários tipos de fios quânticos compostos de heteroestruturas semicondutoras multicamadas GaAs/AlGaAs e InAs/InGaAs crescidas por epitaxia de feixes moleculares. Além disso, os efeitos de interação entre elétrons na banda de condução e entre os elétrons na banda de condução e buracos na banda de valência serão investigados em poços quânticos múltiplos baseados em heteroestruturas de GaAs/AlGaAs. A interação entre os elétrons influencia profundamente a distribuição espacial de carga em sistemas eletrônicos multicomponentes enquanto, o campo magnético apresenta uma perturbação externa que influencia a distribuição de elétrons. O tempo de recombinação entre os elétrons e os buracos fotoexcitados depende fundamentalmente da localização espacial deles e assim, a fotoluminescência resolvida em tempo apresenta-se como um método direto para estudar distribuição de portadores fotoexcitados em heterosistemas semicondutores.

This proposal will enable the exchange of primary investigators (Ray LaPierre at McMaster, Yuri Pusep at Universidade de Sao Paulo) and graduate students. The project involves the growth of semiconductor nanowires for applications in photovoltacs (solar cells), photodetectors, and quantum information processing devices. This proposal will fund a 1 week visit of the McMaster PI to the Universidade de Sao Paulo, and a 1 week visit of the Brazilian PI to McMaster, in both year 1 and year 2 for project discussions and exchange of knowledge. A McMaster graduate student will spend 2 weeks in each of the two years at the Universidade de Sao Paulo to learn methods of characterizing nanowires. Likewise, a graduate student from Universidade de Sao Paulo will spend 2 weeks in each of the two years at McMaster learning methods of nanowire growth and device fabrication. Ray LaPierre at McMaster will grow semiconductor nanowires for characterization in Brazil. Prof. Yuri Pusep at USP is an expert in magneto-photoluminescence, magneto-transport and Raman spectroscopy used for the characterization of nanostructures. He will apply these techniques to the nanowires and devices produced at McMaster University. In particular, magneto-photoluminescence and magneto-transport are methods that are not currently available at McMaster.

Projeto de pesquisa FAPESP, Ref.Processo: 10/51853-5

Estudo de diodos bi-luminescentes, UV and IR baseados in Si1-xGex/ZnO heterostructure nanowires

Usando medidas de espalhamento Raman e de fotoluminescência em campo magnético alto planejamos estudar as excitações coletivas (tipo plasmon) e uni-partículas (elétrons) em vários sistemas eletrônicos desordenados de baixa dimensionalidade, tais como fios quânticos, poços quânticos, sistemas multicamadas (bicamadas e multicamadas) baseados em hetero-estruturas semicondutoras GaAs/AlGaAs, InGaAs/InP e GaAsP/GaP. O objetivo do projeto é desenvolver métodos de controle de plasmons que podem ser utilizados em dispositivos nano-fotônicos de processamento de sinal ultra-rápido.

Usando medidas de fotoluminescência planejamos estudar a influência de acoplamento entre os poços quânticos para a formação de fases de efeito Hall quântico em sistemas multicamadas (bicamadas e multicamadas) baseados em hetero-estruturas GaAs/AlGaAs e grafite.

os nano-fios de ligas semicondutoras ternárias InGaAs, InGaP e AlGaSb e quaternárias AlInGaP, InGaAsP e InGaAlSb fabricados por epitaxia de feixes moleculares serão investigados utilizando grande variedade de métodos. Estrutura de Os nano-fios será pesquisada usando difração de raio-x, microscopia de força atômica, microscopia de tunelamento e microscopia eletrônica. Propriedades eletrônicas serão estudadas utilizando medidas de transporte elétrico, magneto-transporte, magneto-fotoluminescência, espalhamento Raman, transmitância e refletância no visível-UV e espectroscopia infravermelha. Este estudo complexo deverá resultar em desenvolvimento de nano-fios que poderiam ser usados em varias aplicações em eletrônica, fotônica e biologia. Ainda mais, serão estudados processos fundamentais que determinam propriedades de sistemas eletrônicos uni- dimensionais formados em nano-fios.

planejamos estudar propriedades de interfaces em heteroestruturas semicondutoras InGaAs/InP e InGaAlSb/AlGaAsSb usando métodos de magnetotransporte, fotoluminescência e espalhamento Raman e a influência de rugosidade interfacial sobre transporte eletrônico. A interação entre os confinados fônons ópticos e elétrons será investigada em super-redes GaAs/AlGaAs periódicas e desordenadas. Também planejamos investigar o Efeito Hall Quântico e a coerência de excitações eletrônicas em heteroestruturas GaAs/AlGaAs quase-tridimensionais (super-redes e poços quânticos parabólicos).

?Crescimento e caracterização de super-redes GaAs/AlGaAs com artificial correlacionada desordem?
Planejamos crescer as super-redes para estudo de transporte quântico (inclusive o Efeito Hall Quântico) em super-redes semicondutoras GaAs/AlGaAs. Temos planos de explorar como a desordem artificial produzida durante o crescimento de super-redes pela variação aleatória de espessuras de barreiras de AlGaAs influencia a interferência quantica e a formação de estado de Hall quântico. Também, os efeitos da correlacionada desordem tipo "dimer" serão investigados. Ainda planejamos realizar o crescimento na clivada superficie lateral. Este procedimento pode permitir formar gás bi-dimensional na superficie lateral, modulado pela estrutura da super-rede

MODELAGEM DE TRANSPORTE QUÂNTICO EM SUPER-REDES SEMICONDUTORAS GaAs/AlGaAs
Planejamos usar as super-redes semicondutoras GaAs/AlGaAs para monitorar transporte quântico num sistema eletrônico de multicamadas. Em super-redes, com varias espessuras de barreiras esperamos realizar sistemas eletrônicos bidimensional (2D) e tridimensional (3D) e estudar processos de interferência quântica. Também, planejamos estudar a transição entre diferentes dimensionalidades (2D e 3D) causado pela variação da energia de Fermi. Finalmente, a passagem entre transporte coerente e incoerente em sistema eletrônica de multicamadas estará explorada.

ESTUDO DE PROCESSOS DE MAGNETOTRANSPORTE E INTERFERENCIA QUANTICA EM NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS GaAs/AlGaAs DESORDENADAS CRESCIDAS POR EPITAXIA DE FEIXES MOLECULARES

ESTUDO DE PROPRIEDADES DE ELÉTRONS EM SISTEMAS SEMICONDUTORES DE BAIXA DIMENSIONALIDADE DISORDENADOS E FORTEMENTE CORRELACIONADOS CRESCIDOS POR EPITAXIA DE FEIXES MOLECULARES