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Orientador: Guillermo Gerardo Cabrera Oyarzún Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin Resumo: Esta tese de doutorado abordou principalmente o estudo teórico das propriedades de transporte dependente do spin em nanoestruturas magnéticas. As principais estruturas estudadas foram junções magnéticas de tunelamento e sistemas compostos por um arranjo de pontos quânticos acoplados a eletrodos ferromagnéticos. Com o intuito de obter propriedades físicas do sistema como, a corrente elétrica, a corrente de spin, a densidade local de estados, a ocupação média nos pontos quânticos e a corrente induzida por spin transfer-torque utilizamos o formalismo de funções de Green de não-equilíbrio. Na primeira parte deste trabalho, estudamos os efeitos da inversão do spin nas propriedades de transporte em junções de tunelamento. Para estes sistemas, o fenômeno da magnetorresistência tem origem na densidade de estados dos elétrons de condução dos eletrodos e mostramos que ela é fortemente afetada pela inversão do spin no tunelamento. Além disso, foi possível observar que a inversão do spin induz um spin-torqueadicional ao sistema. Na segunda parte deste trabalho, investigamos as propriedades de transporte em um sistema composto por dois pontos quânticos em forma de T acoplados a eletrodos ferromagnéticos. Com a mesma metodologia empregada anteriormente, encontramos que o aparecimento da ressonância de Fano e a formação de estados ligados dependem fortemente dos parâmetros do sistema. Explorando em detalhes o sistema, foi observado que é possível controlar a condutância elétrica do sistema através de um potencial de gate. Em particular, ao variar a posição do nível de energia do ponto quântico central é possível inverter a ressonância de Fano. Na última parte, apresentamos os resultados numéricos para o sistema considerando um ponto quântico com dois níveis de energia acoplado a dois eletrodos ferromagnéticos, e no interior do ponto quântico levamos em conta a interação e-e e a interação spin-órbita de Rashba. A interação de Rashba introduz a transição entre os níveis de energia com a inversão do spin, o que originou interessantes propriedades no transporte dependente do spin. Em particular, para eletrodos não magnéticos obtivemos que o acoplamento spin-órbita resultou na criação de corrente de spin polarizada Abstract: In this work, we have studied the spin-dependent quantum transport in magnetic nanostructures. The main structures studied are magnetic tunneling junctions and systems composed of an arrangement of quantum dots coupled to ferromagnetic electrodes. Using the nonequilibrium Green's function techinique, we were able to calculate selected properties of the systems such as the electric current, the spin current, local density of states and the current-induced spin-transfer torque. In the first system, we have observed the effects of the spin-flip scattering in the transport properties considering tunneling junctions composed by an insulating layer between two ferromagnetic electrodes. The results obtained for this system showed that the magnetoresistance is related to density of state effects at the ferromagnetic electrodes, and we have found that it is strongly affected by the spin-flip scattering. Besides, we also observed that the spin-flip scattering gives rise to an additional spin-torque to the system. For the system composed of two quantum dots T-shaped electrodes coupled to ferromagnetic electrodes, we investigated the spin-dependent properties. We have observed that the appearance of the Fano resonance and the formation of bound states rely strongly on system parameters. Another interesting finding is the possibility to control the electrical conductance via a gate voltage. We figured out that changing the energy level of the central dot affected directly the Fano resonance peak intensities. Lastly, we have showed that for the system composed by a quantum-dot with two energy levels coupled to two ferromagnetic electrodes must be modified when the \textit{e-e} and the Rashba spin-orbit interaction are taken into account. The Rashba interaction induces level transitions with spin-flip resulting in interesting properties in the spin-dependent transport. We have found out that the spin-orbit interaction strongly contributes to the spin current even for non-magnetic electrodes Doutorado Física Doutora em Ciências CNPQ FAPESP 2011/19298-4

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Este trabalho apresenta estudos sobre a identificação de vibrações mecânicas e temperatura originadas no núcleo de ferro de um transformador trifásico à seco. Diferentes componentes de frequência podem gerar perdas e danos por meio de vibrações mecânicas. A perda de isolamento provoca falhas como curtos-circuitos, que acabam gerando prejuízos às concessionárias de energia e principalmente aos consumidores finais. Diferentemente dos sensores elétricos comerciais, que são acoplados na carcaça externa do transformador, esse estudo propõe a aplicação de redes de Bragg em fibra ótica (FBG) como elementos sensores aplicados diretamente ao núcleo, monitorando de forma simultânea vibração e temperatura. Também comparados aos sensores elétricos tradicionais (strain gages), os sensores FBGs não sofrem interferência eletromagnética, podendo ser aplicados internamente ao transformador sem atenuações do sinal ótico. Além disso, monitora a vibração diretamente na principal fonte causadora, que é o núcleo de ferro. Como o sensor fica exposto a um ambiente hostil, um dispositivo em compósito reforçado de fibra de carbono foi projetado para proteger a fibra ótica. Os sensores óticos foram revestidos pelo compósito, que também tem a função de melhorar a sensibilidade à deformação do sensor. A geometria da peça tem um formato de mola que garante esse aumento na sensibilidade em aproximadamente 12,3 % para a componente de frequência fundamental mecânica de 120 Hz. Para a medição da temperatura e vibração foram utilizados dois sensores multiplexados com comprimentos de onda diferentes. A compensação da temperatura do sensor de deformação também foi realizada. Ensaios elétricos em um transformador trifásico à seco de 3 kVA foram realizados com diferentes tipos de cargas elétricas. A Função da Resposta em Frequência (FRF) foi utilizada para apresentação dos resultados de deformação e comparação das FRFs de sensores colados livremente no núcleo com os sensores embebidos em fibra de carbono. O dispositivo de engate rápido, nos testes experimentais, obteve uma relação média de incremento de sensibilidade de 32 % em relação ao sensor não encapsulado. Dessa forma, mostrou-se viável a aplicação direta no núcleo de ferro de transformadores trifásicos à seco. This work presents studies on the identification of mechanical vibrations and temperature originating in the iron core of a three-phase dry transformer. Different frequency components can generate losses and damages through mechanical vibrations. The loss of insulation causes major failures such as short circuits, which end up generating losses to energy concessionary and mainly to final consumers. Unlike commercial electrical sensors, which are attached to the transformer’s external housing, this study proposes the application of Bragg gratings in optical fiber (FBG) as sensor elements applied directly to the core, simultaneously monitoring dynamic vibration and temperature. Also compared to traditional electrical sensors (strain gages), FBGs sensors do not suffer electromagnetic interference, and can be applied internally to the transformer without optical signal attenuation. In addition, it monitors vibration directly at the main causative source, which is the iron core. As the sensor is exposed to a hostile environment, a carbon fiber reinforced composite device is designed to protect the optical fiber. The optical sensors were coated by the composite, which also has the function of improving the sensitivity to dynamic deformation of the sensor. The part geometry has a spring shape that guarantees this increase in sensitivity by approximately 12.3 % for the 120 Hz mechanical fundamental frequency component. For the measurement of temperature and vibration, two multiplexed sensors with different wavelengths were used. The temperature compensation of the strain sensor was also performed. Electrical tests on a 3 kVA three-phase dry transformer were carried out with different types of electrical loads. The Frequency Response Function (FRF) was used to present the dynamic deformation results and compare the FRFs of sensors glued freely to the core with the embedded sensors. The quick coupling device, in the experimental tests, obtained an average sensitivity increase ratio of 32 % in relation to the non-encapsulated sensor. Thus, direct application to the iron core of three-phase dry transformers was shown to be feasible.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Esta tese apresenta os resultados da produção e caracterização de um sensor bioquímico baseados em redes de Bragg funcionalizadas com nanotubos de L-difenilalanina. A fibra na qual a rede de Bragg foi gravada, foi corroída de forma a remover a casca e então revestida com nanotubos de L-difenilalanina para produzir um sensor capaz de detectar vapor de misturas de etanol-metanol. Os nanotubos foram estudados em suas duas fases (hexagonal e ortorrômbica), analisados por espectroscopia Raman, FTIR, difração de raios X, EDS e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A transição de temperatura entre as fases foi determinada por espalhamento de raios X em ângulo pequeno (SAXS). A transição de fase tem início à 135 °C e termina à 190 °C. Considerando a concentração de metanol no vapor, a fase ortorrômbica apresentou sensibilidade de (7,3 ± 0,8) pm/ (% v/v), 32 vezes maior que a observada na fase hexagonal, com aproximadamente o mesmo tempo de resposta. O desvio máximo do comprimento de onda medido foi (0,98 ± 0,02) nm. Além disso, foram propostos modelos matemáticos para descrever a resposta do sensor e levantadas hipótese para os mecanismos que poderiam levar ao seu comportamento não linear. This thesis presents the results of the production and characterization of a biochemical sensor based on fiber Bragg gratings functionalized with L-diphenylalanine nanotubes. The fiber in which the fiber Bragg gratings was inscribed was etched to remove cladding and then coated with L-diphenylalanine nanotubes to produce a sensor capable of detecting vapor from ethanol-methanol mixtures. Nanotubes were studied in its two phases (hexagonal and orthorhombic), analyzed by Raman spectroscopy, FTIR, X-ray diffraction, EDS and scanning electron microscopy (SEM). The temperature transition between phases was determined by small angle X-ray scattering (SAXS). The obverse temperature at which the phase transition begins was 135 °C and the complete transition occurred at 190 °C. Considering the methanol concentration in the steam, the orthorhombic phase presented a sensitivity of (7.3 ± 0.8) pm / (% v / v), 32 times higher than that observed in the hexagonal phase, with approximately the same response time. The maximum deviation of the measured wavelength was (0.98 ± 0.02) nm. In addition, mathematical models were proposed to describe the sensor response and hypothesized for the mechanisms that could lead to its nonlinear behavior.

Orientador: Guillermo Gerardo Cabrera Oyarzún Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin Resumo: Neste trabalho, apresentamos um estudo do tunelamento e do transporte quântico em sistemas mesoscópicos, particularmente em junções de tunelamento magnéticas, visando esclarecer a polarização magnética da corrente de tunelamento. Nos dispositivos de tunelamento, um filme isolante é crescido entre os eletrodos ferromagnéticos. Nesse sistema a condutância é controlada pelo coeficiente de transmissão do efeito túnel. Nos metais de transição (Fe, Co, Ni), as bandas s, p e d contribuem para a condução eletrônica, entretanto a magnetização deve-se à polarização das bandas d. Resultados experimentais mostram que essa polarização da corrente pode ser muito diferente da polarização do volume no nível de Fermi, podendo até estar invertida. Qualitativamente sabe-se que os elétrons da banda d apresentam menor probabilidade de tunelamento do que os elétrons s ou p. Os elétrons de condução do tipo s são representados por ondas planas com vetores de onda pequenos (centro da zona de Brillouin). Já os elétrons d possuem maior massa efetiva e um caráter localizado, portanto, são representados por pacotes de muitas componentes de ondas planas com vetores de onda maiores. Estudamos o tunelamento desses elétrons por barreiras de potencial que representam o material isolante entre eletrodos metálicos. Propomos um modelo simples para a corrente de tunelamento e estimamos o efeito da magnetoresitência Abstract: This work introduces a detailed study of tunneling and quantum transport in mesoscopic systems, particularly in tunneling magnetic junctions, to understand the magnetic polarization of the tunneling current. These systems consist of two ferromagnetic metal layers separated by a thin insulating barrier layer. The conductance is controlled by the transmission coeficient of the tunnel effect. In the transition metal (Fe, Co, Ni), the bands s, p and d contribute to the electronic conduction, however, to the magnetization only the d-band contributes. Experimental results show that the current polarization may be different of the bulk polarization in the Fermi level and may be reversed. Qualitatively it is known that tunneling probability of the d-like electrons is lower than the s-like and p-like electrons. The s-electrons are represented by wave planes with small wave vector (center of the Brillouin zone). Since the d-electrons have higher effective mass and they are localized states, they are represented by wave packet with many components of wave planes with larger wave vectors. We investigate the tunneling of these electrons through potential barriers, which represent the insulating layer between the ferromagnetic electrodes. We propose a simple model for the tunneling current and estimated the effect of the magnetoresistance Mestrado Física da Matéria Condensada Mestra em Física