Nesta dissertação, tratamos do espalhamento de partículas (elétrons e éxcitons) em sistemas nos quais o potencial espalhador está acoplado a modos vibracionais. Os efeitos do acoplamento, no espalhamento das partículas, são estudados em dois problemas particularmente interessantes, a saber: o tunelamento de elétrons em heterojunções e o espelhamento de excitações em sólidos. Em ambos há a possibilidade de ocorrência de espalhamento inelástico/ressonante assistido por fônons. Verifica-se que a interação com modos vibracionais induz o aparecimento de estruturas bastante peculiares nos coeficientes de transmissão e seções de choque. Tais estruturas decorrem da existência de espalhamento inelástico (abertura de novos canais) e de efeitos de interferência, construtiva destrutiva, característicos de sistemas nos quais se tem acoplamento entre um nível discreto e o contínuo. / In this work we consider the scattering of excitations in systems in which a local scatterer center is coupled to single vibrational mode. The effects of the coupling are studied in two particular systems, namely, the tunneling of electrons in heterojunctions and the scattering of excitations by impurities in solids. In both cases inelastic scattering is observed and peculiar structures in transmission amplitudes and cross sections are observed. Such structures are a direct consequence from the newly open scattering channels and from interference effects resulting from the coupling of the discret with the continuum.

Nesta tese abordamos o problema de transferência e manipulação de informação quântica em sistemas dissipativos. Inicialmente apresentamos uma técnica para construir, dentro de redes bosônicas dissipativas, canais livres de decoerência (CLD): um grupo de modos normais de osciladores com taxas de amortecimento efetivas nulas. Verificamos que os estados protegidos dentro do CLD definem subespaços livres de decoerência (SLD) quando mapeados de volta para a base dos osciladores naturais da rede. Portanto, a nossa técnica para obter canais protegidos formados por modos normais é uma forma alternativa para construir SLD, que oferece vantagens em relação ao método convencional. Nosso protocolo permite o cálculo de todos os estados da rede protegidos de uma só vez, assim como leva naturalmente ao conceito de subespaço quase livre de decoerência (SQLD), dentro do qual um estado de superposição é quase completamente protegido. O conceito de SQLD, é mais fraco do que a dos SLD, pode proporcionar um mecanismo mais manejável para controlar decoerência. Em seguida desenvolvemos um protocolo para transferência quase perfeita de estados de poláriton de um sistema emissor para um receptor, separados espacialmente, ambos acoplados por um canal de transmissão não ideal que é modelado por uma rede de cavidades dissipativas. Esse protocolo consiste no acoplamento dispersivo entre o estado de poláriton preparado no emissor com os modos normais da rede que forma o canal, o que possibilita que o estado tunele para o receptor. Após a obtenção de um Hamiltoniano efetivo para o acoplamento entre o emissor e receptor, calculamos a fidelidade para a transferência de alguns estados de poláriton, por exemplo, estados tipo gato de Schrödinger. Mostramos que as taxas de decaimento da fidelidade são proporcionais a cooperatividade, parâmetro esse que avalia a relação entre a taxa de dissipação e o acoplamento efetivo. Analisamos a dependência da fidelidade e do tempo de transferência em relação à topologia da rede. Por fim, propomos o mecanismo de tunelamento não local para transferência de estados bosônicos e fermiônicos com alta fidelidade. Demonstramos que a incoerência decorrente das não idealidades quânticas do canal é quase totalmente contornada pelo mecanismo de tunelamento que possibilita um processo de transferência de alta fidelidade. Aplicamos esse mecanismo para transferência e processamento de informações entre múltiplos circuitos quântico (CQs) não ideais. Um conjunto de saídas é simultaneamente acoplado ao conjunto correspondente de entradas de outro QC espacialmente separado do primeiro, através de um único canal quântico não ideal. Mostramos que além da transferência de estados, podemos realizar operações logicas entre qubits distantes e gerar uma pletora de estados quânticos emaranhados. / In this thesis we address the problem of transfer and manipulation of quantum information in dissipative systems. First we present a technique to build, within a dissipative bosonic network, decoherence-free channels (DFCs): a group of normal-mode oscillators with null effective damping rates. We verify that the states protected within the DFC define the wellknown decoherence-free subspaces (DFSs) when mapped back into the natural network oscillators. Therefore, our technique to build protected normal-mode channels turns out to be an alternative way to build DFSs, which offers advantages over the conventional method. It enables the computation of all the network-protected states at once, as well as leading naturally to the concept of the decoherence quasi-free subspace (DQFS), inside which a superposition state is quasi-completely protected against decoherence. The concept of the DQFS, weaker than that of the DFS, may provide a more manageable mechanism to control decoherence. Finally, as an application of the DQFSs, we show how to build them for quasi-perfect state transfer in networks of coupled quantum dissipative oscillators. Then we present a scheme for quasi perfect transfer of polariton states from a sender to a spatially separated receiver, both composed of high-quality cavities filled by atomic samples. The sender and the receiver are connected by a nonideal transmission channel the data bus modelled by a network of lossy empty cavities. In particular, we analyze the influence of a large class of data-bus topologies on the fidelity and transfer time of the polariton state. Moreover, we also assume dispersive couplings between the polariton fields and the data-bus normal modes in order to achieve a tunneling-like state transfer. Such a tunneling-transfer mechanism, by which the excitation energy of the polariton effectively does not populate the data-bus cavities, is capable of attenuating appreciably the dissipative effects of the data-bus cavities. After deriving a Hamiltonian for the effective coupling between the sender and the receiver, we show that the decay rate of the fidelity is proportional to a cooperativity parameter that weigh the cost of the dissipation rate against the benefit of the effective coupling strength. The increase of the fidelity of the transfer process can be achieved at the expense of longer transfer times. We also show that the dependence of both the fidelity and the transfer time on the network topology for distinct regimes of parameters. It follows that the data-bus topology can be explored to control the time of the state-transfer process. Finally we propose the nonlocal tunneling mechanism for high-fidelity state transfer between distant parties. We apply this mechanism for highfidelity information transfer and processing between remote multi-branch nonideal quantum circuits (QCs). We show that in addition to the transfer of states, we can perform logic operations between distant qubits and generate a plethora of entangled quantum states.

O crescimento de lmes nos ferromagnéticos sobre uma superfícies vicinal induz uma anisotropia uniaxial que atua juntamente com a anisotropia magnetocrislanina. Neste estudo, lmes nos de Co foram depositados sobre Si(111) para investigar o papel dessa anisotropia nas propriedades magnéticas do lme. Os substratos foram preparados quimicamente via uma solução de NH4F e caracterizados via microscopia de força atômica. Os lmes, depositados via desbaste iônico, foram caracterizados estruturalmente via difratometria de raio-x e microscopia de tunelamento. As propriedades magnéticas foram determinadas via magnetometria a efeito Kerr magnetoóptico, onde observou-se a presen ça de uma anisotropia uniaxial dominante. Um modelo fenomelógico de reversão da magnetização via rotação coerente foi aplicado para ajustar as curvas de histerese, e as constantes de anisotropia uniaxial para cada espessura foram determinadas.

Materiais semicondutores sÃo os principais responsÃveis pelo grande crescimento da indÃstria eletrÃnica e pelo surgimento de novas tecnologias. A criaÃÃo de heteroestruturas possibilitou um grande impulso à fÃsica do estado sÃlido. Atualmente, o estudo de semicondutores està concentrado em sistemas de dimensionalidade reduzida, como os poÃos, fios, pontos e aneis quÃnticos. Neste trabalho, investigamos as propriedades de transporte em fios quÃnticos heteroestruturados de barreira dupla e em sistemas bidimensionais de barreira simples e dupla. Iniciamos com o cÃlculo da energia do confinamento radial no fio quÃntico InAs/InP de barreira dupla. Usamos um modelo de fio cilÃndrico com e sem interfaces graduais. Calculamos as transmissÃes atravÃs das barreiras e estudamos o comportamento das mesmas variando a largura das barreiras, a distÃncia entre elas e o raio do fio. Futuramente utilizaremos estes resultados para o cÃlculo da corrente elÃtrica atravÃs do dispositivo. TambÃm investigamos as propriedades de transporte em sistemas bidimensionais com potencial de auto-energia. Utilizamos heteroestruturas formadas por Si/SiO2 e Si/HfO2. Sendo as constantes dielÃtricas dos Ãxidos diferentes do silÃcio, resolvemos a equaÃÃo de Poisson com epsilon dependente de z. Expandimos o potencial em uma sÃrie de Fourier-Bessel, encontrando, por fim, o potencial imagem para as barreiras. Calculamos a corrente elÃtrica atravÃs deste potencial em funÃÃo da voltagem, variando a temperatura, a distÃncia entre as barreiras. TambÃm levamos em conta as interfaces graduais para o caso de barreira simples. / Semiconductor materials are responsible for the large development in electronic industry, what made it possible the creation of new devices. The heterostructures gave a large impulse to the solid-state physics. Semiconductors study is nowadays concentrated in the low-dimensional systems, as quantum wells, quantum wires, quantum dots and quantum rings. In this work, we investigate the transport properties of heterostructured quantum wires of double barrier. We begin with calculation of radial confinement energy in a quantum wire InAs/InP of double barrier. We use a cylindrical model of wire with gradual and abrupt nterfaces. Transmission coefficients are calculated. We study its behavior varying barriers width, distance between them and the wire radius. In the future, we will use these results to calculate electric current through the device. We also investigate transport properties of bidimensional systems with self-energy potential. We use heterostructures of Si/SiO2 and Si/HfO2. We solve Poissonâs equation with epsilon depending on z, expanding the potential in a Fourier-Bessel series, finding the image potential of the barriers. We calculate the electric current through this potential in function of the applied voltage, varying temperature and the distance between the barriers. We also consider gradual interfaces for the simple barrier case.

O objetivo principal deste trabalho foi adicionar novos módulos (tanto eletrônicos quanto computacionais) necessários para efetuar medidas espectroscópicas com o microscópio de tunelamento construído há alguns anos no Laboratório de Novos Materiais Semicondutores do Instituto de Física da USP. Para checar a performance do novo sistema implementado, foram realizadas medidas sobre materiais condutores (grafite e ouro). Visando a análise topográfica e espectroscópica de amostras semicondutoras dos grupos III-V, estudamos alguns métodos para a preparação destas superfícies. Dentre eles, a passivação foi capaz de fornecer os resultados mais significativos. Finalmente, curvas da corrente de tunelamento em função da tensão aplicada à junção foram adquiridas sobre amostras de GaAs e pontos quânticos de InAs crescidos pela técnica de epitaxia por feixe molecular (MBE). / The goal of the present work was to upgrade the home-made Scanning Tunneling Microscope present in our group, adding the new hardware necessary to carry out spectroscopic measurements. A new software was also developed to control the new functions of the microscope. In order to check the performance of the whole system, several types of experiments where carried out on graphite and gold. A special care was taken to adequately prepare the samples of III-V semiconductors. The passivation of the sample yielded the best results both for topographic and spectroscopic measurements. Finally, I-V curves were taken on GaAs layers and InAs quantum dots grown by molecular beam epitaxy (MBE).

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / We analyze the possibility of using aluminum nitride (AlN) as a piezoelectric tunnel barrier in magnetic or non-magnetic tunnel junctions. Samples in the form of monolayers, bilayers, multilayers and tunnel junctions were produced by magnetron sputtering from an aluminum metal target. The insulating AlN barrier was grown in a reactive atmosphere of argon and nitrogen. Through the monolayers and bilayers we investigated the growth conditions of AlN onto different substrates, buffer, and cap layers. Using x-ray diffraction and transmission electronic microscopy it was possible to verify the excellent degree of texturing of AlN films with the direction <002> perpendicular the substrate plane. The multilayer showed that the use of AlN as a piezoelectric tunnel barrier is feasible, since the crystallographic structure remains when the thickness of the AlN is drastically reduced to a thickness so that quantum tunneling is possible. We also held magnetization measurements and tunnel magnetoresistance in magnetic tunnel junctions. It is important that the coercive fields of the electrodes are different, so that from the application of an external field can be obtained a situation where the magnetization of the electrodes point in opposite directions. The average thickness of the tunnel barrier in multilayers and tunnel junctions were obtained by x-ray diffraction and transmission electron microscopy. The nonlinear IxV curves of tunnel junctions were measured at room temperature and at lower temperatures, and showed a linear behavior at low voltages, and a nonlinear behavior for higher voltages. Measurements of tunnel magnetoresistance showed spin dependent tunneling. Simulations using the Simmons model for symmetric barrier allowed us to obtain the effective area of tunneling, effective thickness of the barrier, and the height of the barrier. Effective area values are some orders of magnitude smaller than the actual area of the junctions, and transmission electron microscopy pictures show that the tunnel transport occurs at some hot spots. In the measurements of the IxV curves we observe a minimum thickness of 6nm for the insulating barrier to be piezoelectric, as the polarization effect was detected. The curves have a shift to negative bias, both in magnetic and non-magnetic tunnel junctions. Using the results of the simulation we verified the exponential pattern of resistance, normalized by the effective area of tunneling, depending on the thickness of the insulator. For effective barrier thickness above 1nm, the barrier height increases with insulator thickness, as expected. For barrier thickness between 0;8 and 1nm, there is a decline in barrier height. We have not found recorded in the literature this type of behavior for normal insulating systems or for piezoelectric materials. / Nesta tese analizamos a possibilidade do uso de nitreto de alumínio (AlN) como barreira túnel piezoelétrica em junções túnel magnéticas ou não magnéticas. Amostras na forma de monocamadas, bicamadas, multicamadas e junções túnel foram produzidas pela técnica de "magnetron sputtering"a partir de um alvo metálico de alumínio. A barreira isolante de AlN foi crescida em uma atmosfera reativa de argônio e nitrogênio. Através das monocamadas e das bicamadas investigamos as condições de crescimento do AlN sobre diferentes substratos, e camadas "buffer"e camadas "cap". Utilizando difração de raio-x e microscopia eletrônica de transmissão foi possível verificar o excelente grau de texturização dos filmes de AlN com a direção <002> perpendicular ao plano do substrato. As multicamadas mostraram que a utilização do AlN como barreira túnel piezoelétrica é viável, pois a estrutura cristalográfica se mantém quando a espessura do AlN é drasticamente reduzida até uma espessura que ocorra o fenômeno de tunelamento quântico. Também foram realizadas medidas de magnetização e de magnetorresistência túnel em junções túnel magnéticas. Nestas, é importante que os campos coercivos dos eletrodos sejam diferentes, para que a partir da aplicação de um campo externo seja possível obter uma situação onde os momentos magnéticos dos eletrodos apontem em sentidos contrários. A espessura média da barreira túnel nas multicamadas e junções túnel foram obtidas através de difração de raio-x e de microscopia eletrônica de transmissão. As curvas IxV não lineares das junções túnel foram medidas a temperatura ambiente e a baixa temperatura, e apresentaram um comportamento linear a baixas tensões e uma relação não linear para tensões mais elevadas. Para a realização de simulações foi utilizado modelo de Simmons para barreira simétrica. Os parâmetros obtidos através deste modelo são, a área efetiva de tunelamento Se f , a espessura efetiva da barreria te f e a altura da barreira f0. Através da observação dos resultados da área efetiva que são algumas ordens de grandeza menores que a área real da junção, e das imagens de microscopia eletrônica de transmissão podemos afirmar que o transporte túnel se dá por "hot spots". Nas medidas das curvas IxV observamos uma espessura mínima de 6nm para a barreira isolante piezoelétrica onde o efeito de polarização foi detectado. As curvas sofrem um deslocamento para tensões negativas, isto ocorre tanto nas junções túnel magnéticas como nas não magnéticas. Utilizando os resultados dos ajustes foi possível verificar o caráter exponencial da resistência, normalizada pela área efetiva de tunelamento, em função da espessura do isolante. Para espessura efetiva da barreira, a partir de 1nm, a altura da barreira aumenta com a espessura do isolante. Resultado este esperado, mostrando uma tendência do crescimento da altura da barreia com a espessura. Para espessura de barreia entre 0;8 e 1nm, há presença de um declínio na altura da barreira. Não encontramos registro na literatura deste tipo de comportamento para sistemas isolantes normais nem para materiais piezoelétricos. Medidas de magnetorresistência túnel nas junções mostraram que o tunelamento é dependente de spin.

O caráter aleatório e não homogêneo do crescimento de filmes finos, por processo de deposição, leva à formação de uma superfície rugosa que obedece, em geral, a uma geometria fractal. A dinâmica de crescimento da superfície do filme pode ser descrita por meio de modelos de crescimento discretos, simulações numéricas e equações diferenciais estocásticas. Os modelos e as equações nos fornecem os expoentes críticos, que descrevem o comportamento da rugosidade com a escala de observação e tempo de deposição. Crescemos filmes de platina e ouro através da técnica de implantação e deposição de íons por imersão em plasma metálico. Determinamos experimentalmente os expoentes críticos por meio de microscopia de tunelamento. Comparamos os nossos resultados experimentais com previsões dadas por alguns modelos teóricos. Verificamos que há um bom acordo entre eles e as previsões dadas pela equação estocástica de Kardar, Parisi e Zhang. A estrutura cristalina dos materiais também foi analisada por meio de difração de raios x. / The randomness and inhomogeneities in the growth of thin films generate a rough surface obeying, in general, fractal geometry. The growth dynamics of film surface can be described by theoretical discrete models, numerical simulations and stochastic differential equations. Models and equations give the critical exponents that describe the behavior of roughness with the observation scale and deposition time. We have synthesized platinum and gold films by metal plasma immersion ion implantation and deposition. We have measured the critical exponents by Scanning Tunneling Microscopy. Our experimental results were compared with some theoretical models predictions. We verified that there is a good agreement between them and the theoretical predictions given by the Kardar, Parisi and Zhang stochastic equation. The crystallographic structure was also analyzed by X-ray diffraction.

Este trabalho apresenta o estudo de transistores de tunelamento controlados por efeito de campo, denominados TFETs. Foram realizadas análises com base em explicação teórica, simulação numérica e medidas experimentais para demonstrar a viabilidade do uso desta tecnologia como alternativa para permitir o contínuo escalamento de dispositivos. A motivação para o uso de transistores com corrente principal resultante do tunelamento de banda para banda consiste na proposta de superar o limite físico de inclinação de sublimiar da tecnologia CMOS convencional de 60 mV/década sob temperatura ambiente. Afinal, esta limitação impede a redução na tensão de alimentação de circuitos e, consequentemente, apresenta crescentes problemas quanto à dissipação de potência. Com este objetivo, foram realizadas simulações numéricas de diversas geometrias alternativas visando atenuar as características indesejáveis dos TFETs, como a corrente ambipolar e a relativamente baixa relação ION/IOFF. Inicialmente são definidos os modelos necessários para representar adequadamente os fenômenos relevantes sob variação de temperatura e é definida uma estrutura capaz de minimizar os efeitos da ambipolaridade. Posteriormente, medidas experimentais foram utilizadas para calibrar as simulações e estudar o efeito da temperatura e do dimensionamento no funcionamento de dispositivos desta tecnologia. Comparando resultados práticos e simulados, nota-se como uma redução no comprimento de porta, com a consequente inserção de uma subposição (underlap) em relação à junção canal/dreno, e uma diminuição na temperatura permitem a obtenção de valores promissores de inclinação de sublimiar e de relação ION/IOFF, compatível com a proposta de futuras aplicações digitais e analógicas. / This works presents the study of tunneling field effect transistors, namely TFETs. Analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data in order to show this technology suitability as an alternative for the continuous devices scaling. The basic idea of making use of band-to-band tunneling as the main current component comes from the possibility of reaching sub-60 mV/decade subthreshold slopes at room temperature, differently from conventional CMOS devices. After all, this physical limitation causes relevant power dissipation issues, since it requires relatively high power supply voltages. Bearing this objective, numerical simulations of several alternative geometries were performed in order to tackle TFETs disadvantages, as the undesirable ambipolar currents and the low ION/IOFF ratio. At first, it was necessary to choose the most appropriate models to take into consideration the relevant phenomena under temperature variation and to define the physical structure in order to minimize ambipolar effects. After these analyses, experimental data were used to calibrate simulation parameters and to study how temperature and physical dimensions affect the performance of devices based on this technology. Comparing experimental and simulated results, it was possible to notice that when the structure is designed with gate underlap related to channel/drain junction and the temperature decreases, the obtained values for subthreshold slope and ION/IOFF ratio may be used as an important reference of this technology as a promising alternative for both digital and analog applications.

Este trabalho apresenta o estudo de transistores de tunelamento controlados por efeito de campo, denominados TFETs. Foram realizadas análises com base em explicação teórica, simulação numérica e medidas experimentais para demonstrar a viabilidade do uso desta tecnologia como alternativa para permitir o contínuo escalamento de dispositivos. A motivação para o uso de transistores com corrente principal resultante do tunelamento de banda para banda consiste na proposta de superar o limite físico de inclinação de sublimiar da tecnologia CMOS convencional de 60 mV/década sob temperatura ambiente. Afinal, esta limitação impede a redução na tensão de alimentação de circuitos e, consequentemente, apresenta crescentes problemas quanto à dissipação de potência. Com este objetivo, foram realizadas simulações numéricas de diversas geometrias alternativas visando atenuar as características indesejáveis dos TFETs, como a corrente ambipolar e a relativamente baixa relação ION/IOFF. Inicialmente são definidos os modelos necessários para representar adequadamente os fenômenos relevantes sob variação de temperatura e é definida uma estrutura capaz de minimizar os efeitos da ambipolaridade. Posteriormente, medidas experimentais foram utilizadas para calibrar as simulações e estudar o efeito da temperatura e do dimensionamento no funcionamento de dispositivos desta tecnologia. Comparando resultados práticos e simulados, nota-se como uma redução no comprimento de porta, com a consequente inserção de uma subposição (underlap) em relação à junção canal/dreno, e uma diminuição na temperatura permitem a obtenção de valores promissores de inclinação de sublimiar e de relação ION/IOFF, compatível com a proposta de futuras aplicações digitais e analógicas. / This works presents the study of tunneling field effect transistors, namely TFETs. Analyses were performed based on theoretical explanations, numerical simulations and experimental data in order to show this technology suitability as an alternative for the continuous devices scaling. The basic idea of making use of band-to-band tunneling as the main current component comes from the possibility of reaching sub-60 mV/decade subthreshold slopes at room temperature, differently from conventional CMOS devices. After all, this physical limitation causes relevant power dissipation issues, since it requires relatively high power supply voltages. Bearing this objective, numerical simulations of several alternative geometries were performed in order to tackle TFETs disadvantages, as the undesirable ambipolar currents and the low ION/IOFF ratio. At first, it was necessary to choose the most appropriate models to take into consideration the relevant phenomena under temperature variation and to define the physical structure in order to minimize ambipolar effects. After these analyses, experimental data were used to calibrate simulation parameters and to study how temperature and physical dimensions affect the performance of devices based on this technology. Comparing experimental and simulated results, it was possible to notice that when the structure is designed with gate underlap related to channel/drain junction and the temperature decreases, the obtained values for subthreshold slope and ION/IOFF ratio may be used as an important reference of this technology as a promising alternative for both digital and analog applications.

Neste trabalho foram estudadas as propriedades magnéticas e estruturais de filmes ultrafinos de Fe, Co e Ni produzidos por eletrodeposição sobre substratos de Au(111). Os estágios iniciais de crescimento dos filmes foram estudados por técnicas de caracterização “in-situ”. Uma nova técnica de caracterização do estado magnético de filmes ultrafinos eletrodepositados (EC-AGFM) foi utilizada, mostrando-se uma poderosa ferramenta para o estudo das propriedades magnéticas dos filmes. Outras técnicas, como STM “in-situ”, PMOKE “in-situ”, EXAFS, XRD, RBS foram utilizadas. A análise dos dados revelaram resultados diferentes para os filmes de Fe e Co/Au(111), em comparação aos filmes de Ni/Au(111). Enquanto a anisotropia magnética perpendicular (PMA) foi observada para os filmes de Fe e Co/Au(111), não foi observada para os filmes de Ni/Au(111). Os resultados são interpretados em termos das contribuições para a anisotropia magnética dos filmes. No caso do níquel, a degradação de suas propriedades magnéticas são atribuídas à incorporação de hidrogênio durante a deposição. Os resultados das análises magnética e estrutural são correlacionados a fim de compreender o comportamento das propriedades observadas. Os resultados são comparados aos obtidos por técnicas em vácuo.