NMR evidence for the participation of a low-barrier hydrogen bond in the mechanism of delta 5-3-ketosteroid isomerase.

Delta 5-3-Ketosteroid isomerase (EC 5.3.3.1) promotes an allylic rearrangement involving intramolecular proton transfer via a dienolic intermediate. This enzyme enhances the catalytic rate by a factor of 10(10). Two residues, Tyr-14, the general acid that polarizes the steroid 3-carbonyl group and facilitates enolization, and Asp-38 the general base that abstracts and transfers the 4 beta-proton to the 6 beta-position, contribute 10(4.7) and 10(5.6) to the rate increase, respectively. A major mechanistic enigma is the huge disparity between the pKa values of the catalytic groups and their targets. Upon binding of an analog of the dienolate intermediate to isomerase, proton NMR detects a highly deshielded resonance at 18.15 ppm in proximity to aromatic protons, and with a 3-fold preference for protium over deuterium (fractionation factor, phi = 0.34), consistent with formation of a short, strong (low-barrier) hydrogen bond to Tyr-14. The strength of this hydrogen bond is estimated to be at least 7.1 kcal/mol. This bond is relatively inaccessible to bulk solvent and is pH insensitive. Low-barrier hydrogen bonding of Tyr-14 to the intermediate, in conjunction with the previously demonstrated tunneling contribution to the proton transfer by Asp-38, provide a plausible and quantitative explanation for the high catalytic power of this isomerase.

Critical behavior of the dilute antiferromagnet in a magnetic field

We study the critical behavior of the diluted antiferromagnet in a field with the tethered Monte Carlo formalism. We compute the critical exponents (including the elusive hyperscaling violations exponent θ). Our results provide a comprehensive description of the phase transition and clarify the inconsistencies between previous experimental and theoretical work. To do so, our method addresses the usual problems of numerical work (large tunneling barriers and self-averaging violations).

Condensados de Bose-Einstein em redes óticas: a transição superfluido-isolante de Mott em redes hexagonais e a classe de universalidade superfluido-vidro de Bose em 3D

Estudamos transições de fases quânticas em gases bosônicos ultrafrios aprisionados em redes óticas. A física desses sistemas é capturada por um modelo do tipo Bose-Hubbard que, no caso de um sistema sem desordem, em que os átomos têm interação de curto alcance e o tunelamento é apenas entre sítios primeiros vizinhos, prevê a transição de fases quântica superfluido-isolante de Mott (SF-MI) quando a profundidade do potencial da rede ótica é variado. Num primeiro estudo, verificamos como o diagrama de fases dessa transição muda quando passamos de uma rede quadrada para uma hexagonal. Num segundo, investigamos como a desordem modifica essa transição. No estudo com rede hexagonal, apresentamos o diagrama de fases da transição SF-MI e uma estimativa para o ponto crítico do primeiro lobo de Mott. Esses resultados foram obtidos usando o algoritmo de Monte Carlo quântico denominado Worm. Comparamos nossos resultados com os obtidos a partir de uma aproximação de campo médio e com os de um sistema com uma rede ótica quadrada. Ao introduzir desordem no sistema, uma nova fase emerge no diagrama de fases do estado fundamental intermediando a fase superfluida e a isolante de Mott. Essa nova fase é conhecida como vidro de Bose (BG) e a transição de fases quântica SF-BG que ocorre nesse sistema gerou muitas controvérsias desde seus primeiros estudos iniciados no fim dos anos 80. Apesar dos avanços em direção ao entendimento completo desta transição, a caracterização básica das suas propriedades críticas ainda é debatida. O que motivou nosso estudo, foi a publicação de resultados experimentais e numéricos em sistemas tridimensionais [Yu et al. Nature 489, 379 (2012), Yu et al. PRB 86, 134421 (2012)] que violam a lei de escala $\\phi= u z$, em que $\\phi$ é o expoente da temperatura crítica, $z$ é o expoente crítico dinâmico e $ u$ é o expoente do comprimento de correlação. Abordamos essa controvérsia numericamente fazendo uma análise de escalonamento finito usando o algoritmo Worm nas suas versões quântica e clássica. Nossos resultados demonstram que trabalhos anteriores sobre a dependência da temperatura de transição superfluido-líquido normal com o potencial químico (ou campo magnético, em sistemas de spin), $T_c \\propto (\\mu-\\mu_c)^\\phi$, estavam equivocados na interpretação de um comportamento transiente na aproximação da região crítica genuína. Quando os parâmetros do modelo são modificados de maneira a ampliar a região crítica quântica, simulações com ambos os modelos clássico e quântico revelam que a lei de escala $\\phi= u z$ [com $\\phi=2.7(2)$, $z=3$ e $ u = 0.88(5)$] é válida. Também estimamos o expoente crítico do parâmetro de ordem, encontrando $\\beta=1.5(2)$.

Estudo de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) construídos em nanofio.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET.

Caracterização elétrica de túnel-FET em estrutura de nanofio com fontes de SiGe e Ge em função da temperatura.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante.

Fabrication and characterization of metallic nanowires

The shape of metallic constrictions of nanoscopic dimensions (necks) formed using a scanning tunneling microscope is shown to depend on the fabrication procedure. Submitting the neck to repeated plastic deformation cycles makes it possible to obtain long necks or nanowires. Point-contact spectroscopy results show that these long necks are quite crystalline, indicating that the repeated cycles of plastic deformation act as a “mechanical annealing” of the neck.

Quantum interference in atomic-sized point contacts

The conductance of atomic-sized metallic point contacts is shown to be strongly voltage dependent due to quantum interference with impurities even in samples with low impurity concentrations. Transmission through these small contacts depends not only on the local atomic structure at the contact but also on the distribution of impurities or defects within a coherence length of the contact. In contrast with other mesoscopic systems we show that transport through atomic contacts is coherent even at room temperature. The use of a scanning tunneling microscope (STM) makes it possible to fabricate one atom contacts of gold whose transmission can be controlled by manipulation of the contact allowing inelastic spectroscopy in such small contacts.

Onset of energy dissipation in ballistic atomic wires

Electronic transport at finite voltages in free-standing gold atomic chains of up to seven atoms in length is studied at low temperatures using a scanning tunneling microscope. The conductance vs voltage curves show that transport in these single-mode ballistic atomic wires is nondissipative up to a finite voltage threshold of the order of several mV. The onset of dissipation and resistance within the wire corresponds to the excitation of the atomic vibrations by the electrons traversing the wire and is very sensitive to strain.

Formation of a metallic contact: jump to contact revisited

The transition from tunneling to metallic contact between two surfaces does not always involve a jump, but can be smooth. We have observed that the configuration and material composition of the electrodes before contact largely determine the presence or absence of a jump. Moreover, when jumps are found preferential values of conductance have been identified. Through a combination of experiments, molecular dynamics, and first-principles transport calculations these conductance values are identified with atomic contacts of either monomers, dimers, or double-bond contacts.

Mechanical, electrical, and magnetic properties of Ni nanocontacts

The dynamic deformation upon stretching of Ni nanowires as those formed with mechanically controllable break junctions or with a scanning tunneling microscope is studied both experimentally and theoretically. Molecular dynamics simulations of the breaking process are performed. In addition, and in order to compare with experiments, we also compute the transport properties in the last stages before failure using the first-principles implementation of Landauer's formalism included in our transport package ALACANT.

Microscopic theory for quantum mirages in quantum corrals

Scanning tunneling microscopy permits us to image the Kondo resonance of a single magnetic atom adsorbed on a metallic surface. When the magnetic impurity is placed at the focus of an elliptical quantum corral, a Kondo resonance has been recently observed both on top of the impurity and on top of the focus where no magnetic impurity is present. This projection of the Kondo resonance to a remote point on the surface is referred to as quantum mirage. We present a quantum mechanical theory for the quantum mirage inside an ideal quantum corral and predict that the mirage will occur in corrals with shapes other than elliptical.

Spin depolarization in the transport of holes across GaxMn1−xAs∕GayAl1−yAs∕p-GaAs

We study the spin polarization of tunneling holes injected from ferromagnetic GaMnAs into a p-doped semiconductor through a tunneling barrier. We find that spin-orbit interaction in the barrier and in the drain limits severely spin injection. Spin depolarization is stronger when the magnetization is parallel to the current than when it is perpendicular to it.

Spin dynamics of current-driven single magnetic adatoms and molecules

A scanning tunneling microscope can probe the inelastic spin excitations of a single magnetic atom in a surface via spin-flip assisted tunneling in which transport electrons exchange spin and energy with the atomic spin. If the inelastic transport time, defined as the average time elapsed between two inelastic spin flip events, is shorter than the atom spin-relaxation time, the scanning tunnel microscope (STM) current can drive the spin out of equilibrium. Here we model this process using rate equations and a model Hamiltonian that describes successfully spin-flip-assisted tunneling experiments, including a single Mn atom, a Mn dimer, and Fe Phthalocyanine molecules. When the STM current is not spin polarized, the nonequilibrium spin dynamics of the magnetic atom results in nonmonotonic dI/dV curves. In the case of spin-polarized STM current, the spin orientation of the magnetic atom can be controlled parallel or antiparallel to the magnetic moment of the tip. Thus, spin-polarized STM tips can be used both to probe and to control the magnetic moment of a single atom.

Spin-transfer torque on a single magnetic adatom

We theoretically show how the spin orientation of a single magnetic adatom can be controlled by spin polarized electrons in a scanning tunneling microscope configuration. The underlying physical mechanism is spin assisted inelastic tunneling. By changing the direction of the applied current, the orientation of the magnetic adatom can be completely reversed on a time scale that ranges from a few nanoseconds to microseconds, depending on bias and temperature. The changes in the adatom magnetization direction are, in turn, reflected in the tunneling conductance.

Storage of classical information in quantum spins

Digital magnetic recording is based on the storage of a bit of information in the orientation of a magnetic system with two stable ground states. Here we address two fundamental problems that arise when this is done on a quantized spin: quantum spin tunneling and backaction of the readout process. We show that fundamental differences exist between integer and semi-integer spins when it comes to both reading and recording classical information in a quantized spin. Our findings imply fundamental limits to the miniaturization of magnetic bits and are relevant to recent experiments where a spin-polarized scanning tunneling microscope reads and records a classical bit in the spin orientation of a single magnetic atom.