Título:  Quando a IA vai ao Laboratório

Resumo: A inteligência artificial tem ampliado sua influência impactando laboratórios de pesquisa e desenvolvimento, tanto nas áreas básicas quanto nas aplicadas.  Essa influência vai desde a previsão de novos materiais até a análise de sinais de partículas elementares no LHC.

Pretendemos mostrar como algumas técnicas de IA são usadas nas mais diversas áreas da física experimental mencionando seu uso na síntese de materiais; na detecção de partículas elementares; na análise de dados em mecânica dos fluidos, entre outros.

Uma breve introdução sobre Inteligência Artificial e Aprendizado de Máquina também será apresentada dentro deste contexto.

Título:  ESPECTROSCOPIA RAMAN APLICADA A ESTUDOS EM CONDIÇÕES TERMODINÂMICAS EXTREMAS.

Resumo: A rapidez e a possibilidade de aquisição de dados em medidas in situ são aspectos que fazem da espectroscopia Raman uma das técnicas mais versáteis que podem ser usadas para a caracterização de materiais e no estudo de efeitos físicos e químicos. Por permitir uma medida direta das energias dos modos vibracionais, a espectroscopia Raman é altamente sensível a modificações decorrentes de alterações composicionais e estruturais, como a interdifusão atômica, transições de fase, tensões/deformações e confinamentos quânticos. Neste seminário discutiremos como as medidas Raman podem ser usadas para o estudo dessas propriedades. Atenção especial será dada ao emprego desta técnica em análises in situ em função da temperatura e pressão, que são essenciais no estudo de transições de fase e outras propriedades da matéria sob condições termodinâmicas extremas.

Título:  DIFRAÇÃO DE RAIOS X PARA A CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL DE MATERIAIS CRISTALINOS

Resumo: A difração de raios X é uma das técnicas mais utilizadas para a caracterização estrutural de materiais cristalinos. Nessa palestra os fundamentos da geração, difração e detecção de raios X serão apresentados em nível básico. Os elementos e as óticas que compõem os difratômetros de raios X serão brevemente relatados. Será também discutida a noção de alta resolução em difração de raios X. Alguns exemplos de aplicação da difração de raios X em alta resolução na caracterização de materiais semicondutores cristalinos serão expostos.

Title: Experiments on quantum materials under magnetic fields using light

Abstract: Semiconductors form the hearts and brains of modern computation, optoelectronic and light wave technologies. In this talk, I will describe experiments on 2D semiconductors using light and strong magnetic fields which have provided vital tests to the theories of quantum mechanics. Classic textbook quantum phenomena such as 'particle in a 2D box' and confinement effects, quantum mechanics of artificial 2D hydrogen atoms etc. are routinely studied in the laboratory through such experiments. We will discuss the strongest magnetic fields which have been created in a laboratory.  Alongside, recent progress in the area of research will be described, where every year, many fascinating discoveries are taking place setting up foundations of future quantum computation and communication technologies [1].

Towards the end, I will also describe our newly invented Faraday rotation spectroscopy technique for performing high-precision magneto-optical spectroscopy on 2D materials [2]. Using our method, we measure giant Verdet constants (Faraday rotation per unit thickness per unit magnetic field) around exciton energies in the monolayers of 2D semiconductors WSe2 and MoSe2, and interlayer excitons in bilayers of MoSe2 [3]. Such huge Verdet constants are observed for the first time in any material so far, and open pathways to ultrathin non-reciprocal device technologies.

References.

[1] Review of the field at: A. Arora, J. Appl. Phys. 129, 120902 (2021)

[2] Carey et al., Small Methods (2022)

[3] Carey et al., Nature Communications (2024)

Biography: Ashish did his PhD from TIFR, Mumbai in the Department of Condensed Matter Physics and Materials Science in 2014. He was a CNRS postdoctoral researcher in National High Magnetic Field Laboratory (LNCMI-CNRS), Grenoble, France for a year (2014-15). He won the prestigious A. v. Humboldt grant for a postdoc in the University of Muenster, Germany (2015-17). Thereafter, he won the highly competitive German Research Foundation (DFG) grant and stayed as a junior group leader in the University of Muenster until August 2021. He joined IISER Pune as an Assistant Professor in September 2021. Ashish has won the European Magnetic Field Laboratory EMFL prize 2019 ‘for his ground-breaking discoveries using the excellent infrastructure at the EMFL facilities’, Young Achiever Award 2023 in 67th DAE Solid State Physics Symposium ‘in recognition for his contribution in Condensed Matter Physics’ and Young Physicist Award at the National Physicists’ Conclave 2024.

Título:  Vibrações em minerais de van der Waals  

Resumo: Desde a descoberta do grafeno, grande atenção tem sido direcionada à pesquisa de materiais de van der Waals (vdW) que podem ser encontrados na natureza. Esses minerais, organizados em camadas, são caracterizados por estruturas intracamadas fortemente ligadas, mas que são mantidas juntas por fracas interações vdW entre as camadas. Isto permite que a esfoliação dos minerais seja usada para isolar algumas das suas camadas, até chegar a uma única. Assim, os minerais vdW são considerados uma fonte de baixo custo de materiais bidimensionais (2D) de alta qualidade. Explorar materiais 2D com propriedades complementares é crucial para o desenvolvimento de uma variedade de nanodispositivos eletrônicos, optoeletrônicos e mecânicos. Nesta palestra, apresentarei estudos de um dos filossilicatos mais abundantes na natureza, o mineral clinocloro. Medições de polarimetria na faixa de terahertz revelam que este mineral pode modificar a polarização de ondas de luz transmitidas. Usando um experimento estudado na graduação, este fenômeno será discutido em analogia à formação de figuras de Lissajous com dois osciladores que são perpendiculares entre si.

Título:  UM NOVO CATALISADOR À BASE DE COBALTO (CO) PARA A PRODUÇÃO DE H2 VIA HIDRÓLISE DE NaBH4: O CoO2 DOPADO COM Zn

Resumo: Questões relacionadas à energia e ao meio ambiente estão entre os maiores desafios globais da era atual. O uso predominante de combustíveis fósseis ao longo das últimas décadas contribuiu significativamente para o aumento massivo de gases de efeito estufa na atmosfera. Somado a isso, a crescente degradação ambiental, tem resultado em eventos catastróficos cada vez mais frequentes ao redor do mundo. Nesse contexto, diversas estratégias têm sido exploradas para mitigar os efeitos adversos das mudanças climáticas e encontrar fontes alternavas de energia. Aqui o hidrogênio (H2) surgiu como um dos vetores de energia renovável ideais. As principais reações químicas para a geração de hidrogênio são a eletrólise da água (reação de evolução do hidrogênio (HER), reação de evolução do oxigênio (OER), reação de redução do oxigênio (ORR)) e a hidrólise de hidretos químicos. Os hidretos químicos têm alta capacidade de armazenamento de H₂ em termos de eficiência volumétrica e gravimétrica, sendo candidatos promissores para obter H₂ puro a uma taxa muito alta, adequada para aplicações em veículos. Entre esses, o borohidreto de sódio (NaBH4) tem atraído mais atenção, pois é estável, não inflamável e não tóxico. Na presença de catalisadores adequados, os hidretos químicos podem ser dissociados de forma eficiente para obter gás H2 puro. Entre os metais de transição, o cobalto (Co) é um dos elementos mais amplamente utilizados e pesquisados em quase todos os campos da catálise. A excepcional atividade catalítica do Co pode ser atribuída principalmente ao seu orbital d parcialmente preenchido (3d7) e seus diferentes estados de oxidação (+2, +3 e +4), o que facilita a formação de compostos ao se combinar com outros elementos ou suportes.

Aqui, apresentamos um novo catalisador à base de Co preparado por meio de uma rota hidrotérmica assistida por micro-ondas. O óxido de cobalto de valência elevada (Co4+), CoO2, foi estabilizado via dopagem estrutural com zinco até ~50 at.% (Co0.5Zn0.5O1.5). O material catalisador foi caracterizado estruturalmente por difração de raios-X (XRD) e refinamento de Rietveld, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica e técnicas associadas, além de espectroscopia de fotoelétrons por raios-X (XPS). As partículas de CoO2 apresentaram morfologia hexagonal em forma de placa, com tamanho da ordem de micrômetros. O pó do catalisador CoO₂ foi testado na produção de H2 na hidrólise de borohidreto de sódio (NaBH4). A taxa de geração de H2 obtida com o catalisador CoO4 foi de 1844 mlH2 min-1 gcat-1 (25 °C, 10 wt.% NaOH, 2 wt.% NaBH4), um valor impressionante considerando a escala micrométrica das partículas do catalisador e comparando com a eficiência de outros óxidos de Co.

Título:  CHARGE SEPARATION AND RASHBA SPIN SPLITTING IN LOW-DIMENSIONAL SEMICONDUCTING ORGANIC-INORGANIC HALIDE PEROVSKITES 

 Abstract: Hybrid organic-inorganic halide perovskites have been attracting considerable attention due to their excellent optoelectronic properties. Tuning electronic, crystal structures, and photoelectric conductivity for enhanced efficiency is very important for the discovery of new materials with novel functionalities in optoelectronic devices. Key physical properties such as adjustable band gaps, low exciton binding energy, large optical absorption coefficients, long hole-electron diffusion length are crucial for efficient charge separation and collection. However, efficient charge carrier generation, separation, and mobility remain the most important issues limiting the higher efficiency of solar cells. In this talk, we will show some contributions of our research group on synthesis and physical properties of low dimensional 0D and 2D organic-inorganic halide perovskites. An efficient interfacial charge transfer process associated with exciton dynamics between allinorganic 0D CsPbBr3 nanocrystals and organic electron acceptors (naphthalenediimides (SNDI)) has been suggested. We observed a strong PL quenching when (SNDI) are anchored on CsPbBr3 nanocrystals. Optical and structural characterizations confirm the charge transfer process without QDs degradation. The issue of whether these transferred charges are indeed available for utilization in solar cells remains uncertain. Our results suggest charge transfer followed by strong localization of the charge carriers, preventing their extraction toward the electrodes of solar cell devices. We hope that this crucial aspect to attract attention and unveil a potential mechanism for charge delocalization, which could, in turn, lead to a groundbreaking enhancement in solar cell efficiency On the other hand, we have also studied 2D-layered (BA)2PbX4 by using different halide anions (X = I, Br, and Cl) along with quantum confinement. The obtained cell parameter evolution, supported by experimental measurements and theoretical calculations, indicates strong lattice distortions of the metal halide octahedra, breaking the local inversion symmetry in (BA)2PbCl4, which strongly correlates with a pronounced Rashba spin-splitting effect. Optical measurements reveal strong photoluminescence quenching and a drastic reduction in the PL quantum yield in this larger band gap compound. We suggest that these optical results are closely related to the appearance of the Rashba effect due to the existence of a local electric dipole. In this context, we explain why obtaining 2D UV-emitting materials with high PLQY is a big challenge. 

Título:  O PAPEL DAS ARMADILHAS EM FENÔMENOS FOTOASSISTIDOS.

Resumo: Os fenômenos fotoassistidos são parte de um tópico abrangente de pesquisa científica que envolve aspectos fundamentais de física e possuem forte potencial de aplicação.  A interação radiação-matéria exibe relações interessantes em materiais semicondutores, permitindo seu emprego na fabricação de sensores de luz, células solares, além de outros dispositivos fotoassistidos. 

Neste seminário, em linguagem acessível aos estudantes, apresentaremos alguns resultados obtidos por duas técnicas: a fotoluminescência e a fotocondução. Em ambos casos, a fenomenologia pode ser interpretada por modelos semiquantitativos, explorando os desvios causados pela presença de defeitos em relação ao que consideramos como casos ideais. Estes defeitos na estrutura de materiais podem agir como armadilhas de fotoportadores (elétrons e buracos) com consequências curiosas. Nossos resultados focam dois sistemas distintos: um material inorgânico, o óxido de zinco (ZnO), e um polímero orgânico, a polianilina (PANI). Mostraremos que as armadilhas presentes nestes sistemas são responsáveis, respectivamente,  pelo efeito de incremento da intensidade de fotoluminescência em um determinado intervalo de temperatura e no surgimento de uma fotocondução negativa dependente da intensidade de iluminação empregada.

Título:  Membranes via Atomic Layer Deposition for Energy and Environmental Applications 

Resumo: Atomic Layer Deposition (ALD) is an advanced technique for fabricating high-quality thin films on substrates with high aspect ratios, providing exceptional control over thickness, uniformity, and conformality. This makes ALD particularly advantageous for modifying and customizing the porous structures of materials, including synthetic membranes. ALD coatings have been effectively applied to a wide range of membrane substrates, from inorganic templates to porous polymers.

In this presentation, we will provide an in-depth overview of advancements in the use of ALD for enhancing highly porous materials in membrane technology. Drawing on key research examples, we will showcase how ALD enhances the operational performance of various membrane types—including inorganic, organic, hybrid, and composite membranes—by enabling precise tuning of membrane geometries. This precision allows for systematic exploration of how physical and chemical properties relate to geometric parameters, supporting diverse applications such as gas separation, osmotic energy harvesting, water treatment, and sensing technologies.

We will also discuss the challenges and future directions for integrating ALD in membrane applications. This presentation aims to comprehensively highlight the benefits and potential of ALD across membrane engineering, illustrating the many opportunities within this fast-evolving field.

Selected References:

Chemistry of Materials 2018, 30, 7368-7390

Journal of Membrane Science, 2015, 475, 39–46

Journal of Membrane Science, 2020, 596, 117701

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 16669–16678

Separation and Purification Technology, 2023, 312, 123377

Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7, 8107-8116

Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, 344, 130302

Título:  DEPOSIÇÃO DE FILMES FINOS ATRAVÉS DE EPITAXIA POR FEIXE MOLECULAR

Resumo: O termo epitaxia se refere à deposição ordenada, ou cristalina, de um filme sobre a superfície de um monocristal(*), denominada de substrato. O processo epitaxial ocorre pela adsorção de moléculas no substrato. Os métodos epitaxiais surgiram para atender a demanda da indústria eletrônica na fabricação de dispositivos semicondutores e da pesquisa básica. A Epitaxia por Feixe Molecular, também conhecida como MBE, é um, entre outros, métodos usados na deposição de filmes finos. Na oportunidade, este assunto será apresentado em nível básico, abordando informações essenciais para a compreensão do método. Também, imagens do sistema de MBE, modelo Riber 32 P, instalado no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, em São José dos Campos, SP, ilustrarão a apresentação.

(*) material cuja disposição dos átomos em seu interior se dá de forma periódica ou repetitiva ao longo de toda a estrutura do sólido. 

Title: Rapid scan ESR: A Versatile Tool for the Spin Relaxation Studies at (sub)THz Frequencies

The development of pulse electron spin resonance spectroscopy at microwave frequencies above 100 GHz is rather challenging and expensive task due to the low output power of modern high-frequency solid-state electronics. However, there is a number of scientific problems, e.g., DNP enhancement of NMR, that require spin relaxation measurements at THz frequencies. The rapid scan ESR is an alternative technique that does not require high microwave power and still provides information on the spin relaxation times. The method takes advantage of fast sweeps of the excitation microwave frequency over the ESR line. When the frequency sweep reaches a sufficiently high rate, distinct oscillations (also called wiggles) appear in the spectrum [1-3]. It is possible to retrieve the undistorted (slow-scan) spectrum by employing the Fourier Transform analysis as Josef Dadok had demonstrated in NMR [4]. On the other hand, these oscillations bear information about the electron spin-spin relaxation time, which can be extracted via fitting the rapid scan spectrum using the modified Bloch equations. This technique allows one to capture the spin-spin relaxation time at the nanosecond time scale. Furthermore, the particular design of modern high-frequency ESR spectrometers greatly facilitates the multifrequency operation bringing the spin relaxation measurements to an unprecedentedly broad range of magnetic fields using only one ESR spectrometer. Finally, we will discuss the future steps necessary to make the THz rapid scan ESR a convenient and easy to use tool for the broad scientific community.

Literature:

[1] J. W. Stoner et al., Journal of Magnetic Resonance 2004, 170, 127. [2] O. Laguta, M. Tuček, J. van Slageren and P. Neugebauer, Journal of Magnetic Resonance 2018, 296, 138. [3] O. Laguta, A. Sojka, A. Marko and P. Neugebauer, Applied Physics Letters 2022, 120, 120502. [4] J. Dadok and R. F. Sprecher, Journal of Magnetic Resonance (1969), 1974, 13, 243.

Título:  MICRO E NANO ELETRÔNICA COMO TECNOLOGIAS HABILITADORAS

Resumo: Após 50 anos da Lei de Moore, a microeletrônica evoluiu a tal ponto que as suas tecnologias se tornaram uma ciência por si só e permitem a fabricação de dispositivos que vão muito além do seleto grupo de memórias e microprocessadores.

Durante a apresentação, vamos fazer um breve histórico da Lei de Moore e suas consequências para a indústria eletrônica e como as tecnologias envolvidas migraram para outras áreas de aplicação. Entre as observações do ITRS e sua evolução para o IRDS / HIR faremos a apresentação de como isso se reflete no território nacional através do INCT – NAMITEC e das tecnologias disponibilizadas pela DIMES/CTI.

Faremos também uma atualização sobre o impacto da inteligência artificial sobre o mercado da microeletrônica.

Siglas:

ITRS – International Technology Roadmap for Semiconductors

IRDS – International Roadmap for Devices and Systems

HIR – Heterogenous Integration Roadmap

INCT – Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia

INCT - NAMITEC – INCT Nano e Microeletrônica para tecnologias habilitadoras

DIMES – Divisão de Montagem, Empacotamento eletrônico e integração de Sistemas

CTI – Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer, Unidade de Pesquisa do MCTI

MCTI – Ministério da Ciência Tecnologia e Inovação 

Título:  DEMÔNIO DE MAXWELL E COMPUTADORES QUÂNTICOS

Resumo: A área de pesquisa conhecida como Termodinâmica Quântica, é conhecida por estudar os fenômenos termodinâmicos no regime quântico. Podemos dizer que esta área conecta a Informação Quântica – onde estudamos como processar, armazenar e transmitir informação utilizando fenômenos quânticos – à Termodinâmica. Na verdade este link não é algo novo na física. Em 1871 James C. Maxwell criou um experimento mental, que se tornou um paradoxo conhecido como Demônio de Maxwell, em que um ser inteligente conseguiria violar a segunda lei da termodinâmica. Este experimento mental teve profundas implicações na física, e a solução veio somente 100 anos depois com Charles H. Bennett, cuja explicação conectava a Termodinâmica e a Teoria da Informação. Discutiremos também alguns resultados experimentais atuais, produzidos no CBPF.

Título:  CRESCIMENTO E CARACTERIZAÇÃO DE FILMES FINOS E HETEROESTRUTURAS COM ALTO GRAU DE DESCASAMENTO DE PARÂMETRO DE REDE

Resumo: Neste seminário faremos uma revisão do crescimento e das propriedades de compostos II-VI, baseados nos elementos Cd, Te e Mn, crescidos sobre substratos de Silício(111) e de compostos isolantes topológicos baseados em Bi, Mn e Te sobre substratos de Silício de GaAs utilizando a técnica de epitaxia por feixes moleculares (MBE). Faremos uma descrição dos modos de crescimento mais observados e sua relação com a diferença de parâmetro de rede entre o composto depositado e o substrato no caso da deposição heteroepitaxial tradicional e também para o caso particular de deposição de materiais bidimensionais, caracterizados por ligações de van der Waals. Os resultados mostram que o crescimento do composto CdMnTe sobre Si(111) segue o modo Volmer-Weber, com a nucleação de ilhas tri-dimensionais sem a formação de uma camada bi-dimensional. Os compostos bidimensionais são obtidos por epitaxia de van der Waals, praticamente independente do substrato utilizado. As amostras de pontos quânticos, filmes ultra-finos e heteroestruturas são caracterizadas por difração de raios-x de alta resolução (HR-XRD), microscopia de eletrônica de varredura (FEG-SEM), microscopia de eletrônica de transmissão de alta resolução (HR-TEM), microscopia de força atômica (AFM) e fotoluminescência (PL). Apesar de um descasamento de parâmetro de rede de aproximadamente 19%, camadas epitaxiais com alta qualidade estrutural podem ser obtidas e heteroestruturas do tipo poço quântico apresentam alta eficiência na luminescência. Os filmes finos são processados para a obtenção de nano membranas e nano tubos e transferidos, permitindo a fabricação de dispositivos em substratos virtuais.