Abra um livro sobre a teoria das probabilidades e certamente o primeiro exemplo será sobre o lançamento de uma moeda, mas será que realmente trata-se de um evento aleatório?

Segundo os livros, uma moeda honesta, tem ambos os lados (cara e coroa) com chances iguais de ocorrência, ou seja, jogo uma moeda e a probabilidade (chance) de sair cara é 50%, correto? Na verdade não.

Para quem já estudou um pouco de física, sabe que é possível utilizar as equações de movimento que descrevem o lançamento de um corpo sob a ação da aceleração da gravidade. Bom… pra quem não se lembra bem, segue a equação abaixo:

Onde é a altura final, é a altura inicial, é a velocidade inicial, é a aceleração da gravidade e o tempo.

Muito bem… Sabemos que no lançamento de uma moeda, além de ser lançada até um certa altura, ela também sofre um giro (velocidade angular),  pois podemos obter cara ou coroa… E se treinassemos, afim de sempre obtermos o mesmo lado da moeda? Seria possível? A Resposta é sim.

Lançando a moeda sempre com a mesma velocidade inicial, a mesma altura inicial ,  o mesmo tempo de movimento e a mesma velocidade angular, sempre obteremos a mesma altura final e portando sempre o mesmo lado da moeda.

Isso mostra que o exemplo de probabilidade mais clássico de todos os tempos é furado? De certa forma sim, na verdade, pouca gente se preocupa em se treinar afim de obter o sempre o mesmo lado de uma moeda (pouco útil, eu sei), no entanto o que torna esse exemplo um evento aleatório são as condições iniciais do problema, provavelmente você lançará a moeda com altura e velocidades inicial e angular diferentes, isso nos tranquiliza, pois afinal de contas, seria meio frustrante saber que o famoso 50% de chance cair cara ou coroa fosse babozeira, mas enfim, isso nos fazer refletir um pouco sobre como aprendemos as coisas e como aceitamos muitos conceitos sem nos questionar sobre suas validades.

Nascida no fim dos anos 80, a spintrônica é considerada o novo paradigma da eletrônica baseada no spin, um grau de liberdade intrínseco do elétron. O termo vem da contração da frase spin transport electronics, onde o portador de informação é o spin do elétron, e não mais sua carga. Esta característica oferece diversas possibilidades para a nova geração de dispositivos combinando a microeletrônica já existente com efeitos dependentes de spin. Adicionando o spin à eletrônica convencional, a performance e capacidade dos produtos deve aumentar substancialmente, incrementando os dispositivos com a não-volatilidade de informação, velocidade de processamento de dados, menor consumo de energia e aumento na densidade de integração de circuitos.

Entretanto, ainda existem barreiras nesta área que impedem a implementação real dos dispositivos, por exemplo a otimização do tempo de vida do spin, a detecção de coerência de spin em escalas nanométricas, o transporte de portadores polarizados por longas distâncias e heterointerfaces, e a manipulação dos spins eletrônicos e nucleares em períodos curtos. A combinação de eletrônica, fotônica e magnetismo permitirá o surgimento de novos dispositivos multifuncionais baseados em spin, como spin-FET (field effect transistor), spin-LED (light-emiting diode), spin-RTD (resonance tunneling diode), chaveadores ópticos operando em freqüências de terahertz, moduladores, decodificadores e qubits para computação e comunicação quântica.

O sucesso desses dispositivos depende de um claro entendimento das interações fundamentais em materiais no estado sólido. Quando for possível realizar o controle do spin em estruturas semicondutoras e ferromagnéticas, finalmente será possível então compreender o potencial da spintrônica.

Os dispositivos spintrônicos metálicos surgiram no final dos anos 80 com a descoberta da magnetorresistência gigante (GMR). Dispositivos spintrônicos metálicos, como cabeçotes de leitura de discos rígidos e memória magnética de acesso aleatório (MRAM), são algumas das tecnologias mais bem sucedidas da última década. Nesta geração de dispositivos não havia uma preocupação significativa com o transporte coerente de portadores polarizados, apenas com o controle da polarização local de portadores.

Cabeçote de leitura de disco usando GMR

A física de dispositivos semicondutores spintrônicos percorreu um caminho similar aos dispositivos metálicos e teve um avanço significativo nos últimos anos. A busca por fenômenos dependentes de spin à temperatura ambiente tem sido um dos grandes alvos de pesquisa na última década, indicando que dispositivos operando nessa faixa de temperatura podem ser implementados em um futuro próximo.

A spintrônica de semicondutores possui diversas características interessantes para um dispositivo. Um dispositivo spintrônico coerente pode, a princípio, exercer várias operações independentes simultaneamente após atingirem equilíbrio térmico. O uso do spin pode aumentar substancialmente a velocidade de processamento de informação, pois o limitante do chaveamento de bits não será mais a capacitância do dispositivo e sim a frequência de precessão do spin eletrônico, variando de GHz a THz. Não-volatilidade de dados armazenados usando spin, assim como o longo tempo de polarização permitem um grande avanço no armazenamento de dados e no acoplamento optoeletrônico. Além dos fatores diretamente envolvidos com os possíveis dispositivos, os semicondutores também podem ser um caminho para a implementação da computação quântica, através do isolamento de spins. E todos esses dispositivos serão implementados de forma a possuírem tamanho reduzido, multifuncionalidade e baixo consumo de energia.

Entretanto, perspectivas implicam em desafios. A otimização do transporte de spin, mantendo a polarização e a coerência, assim como a injeção de spin em regiões não-magnéticas e a detecção dos mesmos são passos importantes para a viabilidade de dispositivos.

A busca por materiais que combinem propriedades ferromagnéticas e semicondutoras tem sido um grande objeto de estudo nos últimos anos. Os semicondutores ferromagnéticos (FS) possuem grande potencial para se tornarem fonte de portadores de spin polarizados e também são facilmente integráveis a dispositivos semicondutores. Um FS ideal possuiria temperaturas de Curie acima da temperatura ambiente e também permitiria tanto a dopagem tipo-p como a tipo-n. Entretanto, as temperaturas de Curie desses materiais estão bastante abaixo da temperatura ambiente, e não apresentam grandes perspectivas de aumento.

Os semicondutores magnéticos diluídos (DMS – diluted magnetic semicondutors) são ligas onde alguns íons são aleatoriamente substituídos por metais de transição, como Mn, Co e outros, de forma a gerar um semicondutor com regiões contendo momento magnético local. Estes materiais podem ser usados na criação, injeção e transporte de portadores polarizados. Alguns DMS’s baseados em semicondutores III-V apresentaram ferromagnetismo em temperaturas da ordem de 110 K, e existem previsões teóricas acima da temperatura ambiente para diversas classes desses materiais. Outra promissora classe de materiais aplicáveis à spintrônica são os óxidos ferromagnéticos, cuja previsão é que sejam meio-metálicos. Tais materiais apresentam alta polarização, e alguns estudos mostram que é possível obter ferromagnetismo acima da temperatura ambiente para os mesmos.

Não há dúvidas que nos últimos anos houve uma grande revolução na área da microeletrônica, essa revolução se deu na tentativa de se obter dispositivos cada vez mais eficientes. Um bom exemplo são os microprocessadores, quanto mais rápido for um processador; melhor! Não é mesmo? Uma forma ultilizada para aumenar a velocidade de operação dos circuitos integrados e, consequentemente, dos microprocessadores é a redução no tamanho do dispositivo eletrônico (em geral os transistores). Mas pensemos um pouco, até que ponto é possível diminuir o tamanho de um dispositivo? Será que é possível manipular “coisas” infinitamente pequenas? A resposta à essas perguntas é: SIM , atualmente os cientistas conseguem tal façanha! Para se ter uma ideia, o estado da arte está tão sofisticado que se pode manipular apenas um elétron, e ainda mais, pode-se usar essa manipulação para produzir dispositivos que operam com apenas um único elétron.

A arte de manipular um único elétron foi demonstrada por Millikan  no início do século passado (veja o experimento), mas só foi implementada de fato a partir da década de 80, em circuitos de estado sólido. A grande demora entre a descoberta e a implementação, foi devido às técnicas de crescimento não serem suficientemente desenvolvidas. No decurso das últimas décadas surgiram técnicas de nanofabricação sofisticadas o bastante, tornando possível um novo campo na eletrônica, a eletrônica de único elétron (Link para o transistor de apenas um elétron).

Caro leitor, devido a complexidade envolvida na implementação de um dispositivo dessa natureza, não é possível dar uma explicação nos mínimos detalhes, porém tentarei dar uma ideia geral dos fenômenos envolvidos. Então vamos ao que interessa. A região onde se dá o controle de um único elétron é tradicionalmente chamada de ilha, na figura logo abaixo são mostrados os conceitos básicos que envolvem o fenômeno.

De acordo com a figura acima, o pequeno condutor (ilha) se encontra eletricamente neutro, dessa forma a ilha não gera nenhum campo elétrico apreciável além de suas fronteiras, e, como visto na parte (a) da mesma figura, através de uma força externa , pode-se adicionar um elétron em seu interior¹. Depois da injeção do elétron na ilha, ela fica carregada com uma carga e seu campo elétrico resultante é repulsivo para outros elétrons. Isso diminui a probabilidade de outro elétron entrar na ilha, seja pela ação da força ou pelo tunelamento.

Uma vez que compreendemos como acontece o fenômeno que mantém apenas um elétron dentro de uma ilha, podemos pensar em um dispositivo. Imagine dois eletrôdos condutores separados por um isolante, e entre esses condutores uma ilha, veja a figura abaixo.

Como a distância entre os condutores e a ilha é muito pequena (obs. a figura não está em escala), haverá possibilidade dos elétrons que estão no condutor saltarem para a ilha (isso é conhecido como tunelamento), agora veja: se há algum elétron em excesso na ilha, a probabilidade de tunelamento diminui, por causa da repulsão colombiana, mas se a ilha estiver neutra a probabilidade de tunelamento aumenta. Esse efeito e chamado “Bloqueio de Coulomb” e esta é uma forma que se consegue o controle de um único elétron em um dispositivo.

A ideia básica de um dispositivo de único elétron parece ser simples, porém existe uma dificuldade muito grande na implementação de dispositivos dessa natureza quando o objetivo é obter um padrão de fabricação. Atualmente essa é uma barreira a ser vencida pela ciência, uma das esperanças dos pesquisadores para implementação de tal dispositivo, são os dispositivos orgânicos. Quem sabe nossos computadores terão processadores de materiais orgânicos nos próximos anos. Eu acredito na potencialidade dos materiais orgânicos na microeletrônica. E você, caro leitor, o que espera da microeletrônica para os próximos anos?

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1. Na prática, na maioria dos dispositivos, essa injeção de portador se dá através do tunelamento de uma barreira de potencial criada por uma fina camada isolante

P.S Em breve irei abordar o tema de materiais orgânicos na microeletrônica!

Olá, caros leitores! Com este artigo, inicio uma série de textos mostrando as diversas áreas de atuação de um físico, o qual não precisa necessariamente ser o mais temido professor do ensino médio, muito menos sabatinar uma turma de graduação em suas provas infinitas de mecânica clássica!

Todo físico já formado, ou formação, já teve que responder a pergunta “você gosta de dar aulas?”. Caso a resposta seja negativa, a pergunta é “mas o que você vai fazer então?”. Esta série tem a proposta de tornar você uma metralhadora de funcionalidades para um físico!

Neste primeiro artigo, gostaria de expor o que causou a infiltração da física na criação de aplicações “off the shelf”. Resumidamente, alguns físicos estão fazendo o papel de engenheiros, os quais, tradicionalmente, usam o conhecimento sobre propriedades e fenômenos físicos e químicos para construir dispositivos, aparelhos, idéias, as quais podem chegar facilmente à sociedade, contribuindo com a melhoria da qualidade de vida da mesma.

Entretanto, a engenharia no Brasil tomou um rumo diferente do tradicional. Podemos ver claramente tal fato observando o surgimento em massa de cursos de engenharias de produção, industrial, logística e outras relacionadas com a produção de alguma coisa, e não necessariamente com a criação de coisas a serem produzidas. Deixo bem claro aqui que não estou criticando nenhum engenheiro com estes comentários, mas sim transmitindo meu ponto de vista sobre o assunto.

Aproveitando esta lacuna existente no desenvolvimento de novas tecnologias, muitos físicos trocaram as teorias n-dimensionais, por exemplo, para o desenvolvimento de novas tecnologias, tanto na academia quanto na iniciativa privada, obtendo grande sucesso em muitos casos. Até em alguns ramos tampouco esperados existem físicos obtendo sucesso, como J. Gaspar , diretor da Brasileirinhas, uma produtora de “entretenimento” adulto.

Assim, pretendo com os próximos episódios desta série dar um panorama dos ramos de atividade de um físico, não envolvendo física propriamente dita, e mostrar que você pode encontrar um físico onde menos espera! Olhe muito bem à sua volta!

See ya!

Olá pessoal, é com grande satisfação que publico a primeira contribuição de um de nossos leitores (a primeira feita através de nosso formulário, vale ressaltar).

O artigo foi escrito por Marília Faustino da Silva, e segue logo abaixo. Boa leitura!

Mas, por que nossos ouvidos se tampam quando estamos subindo ou descendo a serra? Por que não podemos tampar as narinas quando vamos espirrar?

Você já deve ter ouvido falar no tímpano, uma membrana presente no ouvido e que faz parte do mecanismo de recepção do som. Após o tímpano, todos nós temos canais que ligam o ouvido ao nariz, as trompas de Eustáquio. Uma das funções destes canais é equilibrar a pressão de dentro do corpo com a pressão externa, a pressão atmosférica.

Afinal, o que é a pressão? A pressão é a ação de uma força sobre uma determinada área, o que muito tem a ver com seus ouvidos. Vamos analisar: o ar que respiramos é uma mistura de gases como nitrogênio, hidrogênio e oxigênio, entre outros. Esses gases são formados por moléculas que possuem uma determinada massa. Além disso, essas moléculas estão em movimento, se chocando contra as diversas superfícies que encontram pela frente, inclusive seu tímpano.

Quando subimos a serra, a concentração de moléculas no alto é cada vez mais baixa conforme nos afastamos da linha litorânea, isso se deve à ação da força gravitacional (que é um outro assunto a ser discutido a parte) o que faz com que menos moléculas se choquem contra a área do seu tímpano, implicando em um desequilíbrio entre a pressão interna do seu corpo e a pressão externa atmosférica.

O mesmo acontece quando espirramos: nossos músculos do rosto se contraem a fim de que possamos expelir moléculas de ar, vapor de água e eventuais microorganismos para fora de nosso corpo. Se você segura seu nariz tampado quando vai espirrar, a força que essas moléculas de ar exercerão em seu nariz tampado e consequentemente em seus tímpanos (pois eles estão interligados) será muito maior, o que pode causar a sensação de um ouvido tampado e até outras conseqüências mais graves.

Outros exemplos de pressão interferindo em nossas vidas: refrigerante subindo pelo canudinho ou até mesmo um mergulho em piscinas profundas.

Este ano haverá a formatura da primeira turma do curso de Física Computacional da USP, um dos primeiros a serem implementados no país e o primeiro da região sudeste. Mas fica no ar a pergunta: o que é Física Computacional?

Desde o meio do século passado (após a segunda guerra mundial), a física vem caminhando num caminho estreito junto com a computação, por meio das simulações computacionais. Principalmente com as novas descobertas da Mecânica Quântica e a necessidade de mais conhecimento sobre a Física Moderna, os computadores foram e são usados incansavelmente em cálculos e modelos, contribuindo com o avanço da tecnologia. A computação não está presente apenas em cálculos e modelagem de fenômenos. O processamento de dados/resultados gerados pelos mesmos, e também por experimentos, estão completamente associados à computação. Dessa forma é extremamente importante que um físico saiba computação.

A partir desta necessidade, surgiu a idéia de criar cursos de Física Computacional, onde o estudante tem acesso a todo conteúdo da física, associado ao conhecimento em diversas áreas de computação, como programação, redes de computadores, processamento de imagens, arquiteturas de computadores, computação de alto-desempenho, entre outras. Esta formação permite que um físico tenha várias ferramentas para aplicar em seu trabalho, facilitando sua vida e também abrindo novas oportunidades.

Hoje em dia é muito comum a presença de físicos em congressos, comissões e outros eventos envolvendo computação high-tech. Institutos de física hoje em dia possuem grande poder computacional, repletos de clusters, grids e outras máquinas potentes. Tal difusão ainda permite o grande avanço em conjunto de softwares científicos, principalmente softwares open-source, onde a comunidade científica incrementa o programa de acordo com a necessidade de novas funcionalidades.

Esta associação de conhecimentos permite ao físico sair do mundo acadêmico e entrar no mercado de trabalho mais facilmente, principalmente com o grande crescimento de centros de P&D (Pesquisa e Desenvolvimento), consultorias e outros centros de pesquisa particulares. Sua grande versatilidade e conhecimento são alvos interessantes na disputa por um emprego. Além disso, aumenta a cada dia o número de novas empresas surgindo a partir de idéias de um ou mais físicos, gerando novas tecnologias e oportunidades.

Dessa forma, a Física Computacional é uma ciência bastante promissora, e possivelmente outras associações de ciências com a computação têm um grande futuro, como a Química Computacional e a Biologia Computacional. Fiquemos na torcida para que realmente dê certo, assim teremos mais ferramentas e meios para evoluir nossa tecnologia e cultura.