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Movimento e inclinação da parede do domínio induzido pela corrente em pistas de corrida magnetizadas perpendicularmente

Resumo


A influência da inserção de C na interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), bem como no movimento da parede de domínio induzido pela corrente (DW) (CIDWM) e inclinação em pistas de Pt / Co / Ta é investigada através de um microscópio magneto-óptico Kerr. A força DMI semelhante para amostras de Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta revela que DMI vem principalmente da interface Pt / Co. Velocidade DW rápida em torno de dezenas de m / s com densidade de corrente em torno de vários MA / cm 2 é observada em Pt / Co / Ta. No entanto, ele precisa de densidade de corrente duas vezes maior para atingir a mesma magnitude em Pt / Co / C / Ta, indicando que a velocidade DW está relacionada à eficiência de torque de rotação-órbita e barreira de potencial de fixação. Além disso, no CIDWM, a velocidade DW é cerca de 10 3 vezes maior do que no movimento DW induzido por campo (FIDWM) com o campo efetivo gerado pela corrente mantendo a mesma magnitude do campo magnético aplicado, revelando que o aquecimento Joule gerado pela corrente tem uma influência no movimento DW. Curiosamente, o fenômeno de inclinação DW induzido pela corrente é observado, enquanto esse fenômeno está ausente no FIDWM, demonstrando que o campo de Oersted gerado pela corrente também pode desempenhar um papel essencial na inclinação DW. Essas descobertas podem fornecer algumas perspectivas de design para impulsionar o movimento DW em memórias de pista de corrida baseadas em SOT.

Histórico


O movimento da parede do domínio magnético induzido pela corrente (CIDWM) em pistas de corrida revelou um dispositivo de memória de pista magnética em desenvolvimento [1, 2]. Devido a essa perspectiva promissora, muito trabalho foi realizado nas últimas décadas. O CIDWM foi inicialmente investigado em ferromagnetos (FMs) com anisotropia magnética no plano e o torque de transferência de spin gerado por corrente polarizada por spin (STT) atua como a força motriz [3, 4]. Posteriormente, o CIDWM também foi realizado em FMs com anisotropia magnética perpendicular (PMA) [5, 6]. No entanto, em alguns materiais de PMA, a direção do movimento da parede de domínio (DW) é oposta à direção do fluxo de elétrons, o que é contraditório com a previsão de STT [7, 8]. E muito mais trabalhos são encontrados que o movimento DW está ao longo da direção atual em estruturas de bicamada de heavy metal (HM) / FM com PMA. Foi demonstrado que os torques de rotação-órbita (SOTs) gerados por HM pelo efeito Hall de rotação e / ou efeito Rashba juntamente com a interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) interfacial devido à assimetria de inversão estrutural de FM são considerados para conduzir um movimento DW quiral ao longo da direção atual [9, 10]. Portanto, a fim de aumentar a eficiência do CIDWM, ele requer o HM com grande ângulo de Hall de spin ( θ SH ) para gerar um torque maior para acionar o movimento DW. Muitos esforços foram dedicados para obter um grande θ SH de HMs variando a espessura de HM [11, 12], decorando a interface entre HM e FM [13, 14], mudando a cristalinidade de HM [15], e até envolvendo oxigênio em HM [16]. Além disso, alguns relatórios também alcançam grande eficácia θ SH com base em estruturas HM / FM / HM, em que duas camadas HM têm sinal oposto de θ SH [17,18,19]. Quando uma corrente passa pelas duas camadas HM, as correntes de spin geradas de dois tipos de camadas HM trabalharão em conjunto para melhorar a eficiência SOT para diminuir a densidade da corrente para alternar a magnetização ou conduzir o movimento DW. Enquanto isso, a força do DMI neste tipo de camadas triplas pode ser diferente das bicamadas, uma vez que há duas interações interfaciais em ambos os lados da camada FM. Verificou-se que a força DMI tem uma grande influência na velocidade DW quando um modelo de coordenadas coletivas estendidas foi proposto para explicar o comportamento de inclinação DW [20]. Além disso, a inclinação DW também foi relatada em microfios GaMnAs [20,21,22].

Em nosso trabalho anterior, investigamos o efeito da inserção de uma camada intermediária C entre Co e Ta no campo de anisotropia, campo de comutação e campos efetivos SOT em estruturas Pt / Co / Ta com PMA [23]. A densidade de corrente de comutação de magnetização obtida é da ordem de 10 6 A / cm 2 em dispositivos Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta. Neste trabalho, investigamos o movimento DW induzido pela corrente e o comportamento de inclinação nessas duas amostras e a influência da inserção de C na força DMI e na velocidade DW em pistas de Pt / Co / Ta de tamanho micro. Encontramos uma pequena mudança na constante de troca DMI calculada (| D |), indicando que a força DMI vem principalmente da contribuição da interface Pt / Co nas pilhas Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta. No movimento DW induzido por campo, a velocidade DW medida em Pt / Co / C / Ta é menor do que em Pt / Co / Ta mesmo sob um grande campo magnético, revelando que a barreira de potencial de pinagem tem uma grande influência no movimento DW. Além disso, no CIDWM, uma velocidade DW maior é observada em comparação àquela no movimento induzido pelo campo com a mesma magnitude entre o campo efetivo gerado pela corrente e o campo magnético aplicado. Ele revela que o aquecimento Joule gerado pela corrente também afeta o movimento DW. Mais importante ainda, o fenômeno de inclinação DW induzido por corrente é observado em pilhas de Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta, o que pode ser bem explicado pelo campo de Oersted gerado pela corrente combinado com o campo efetivo de spin Hall.

Métodos


Duas pilhas de filme Ta (3) / Pt (5) / Co (0,6) / Ta (5) e Ta (3) / Pt (5) / Co (0,6) / C (2) / Ta (5) (espessura em nm) foram depositados em substratos de vidro Corning à temperatura ambiente por pulverização catódica de magnetron de corrente contínua com uma pressão de base abaixo de 4,0 × 10 −5 Pa. O Ta de 3 nm inferior é usado como a camada de semente, e a camada de Ta superior tem um TaO x de cerca de 1,5 nm camada de cobertura devido à exposição ao ar [17, 24]. Depois, as pilhas de filme foram padronizadas em pistas de corrida de 8,5 μm e 3,0 μm de largura para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta, respectivamente, usando litografia padrão e técnicas de moagem de íons de Ar para investigar CIDWM. Além disso, as barras Hall de 8,5 μm de largura padronizadas usando as mesmas técnicas foram usadas para medir o campo fora do plano ( H z ) -resistência anômala de Hall dependente ( R Hall ) em diferentes campos de polarização no plano ( H x ) ao longo da direção atual para alcançar o campo efetivo de Hall de rotação ( H ELA ) e estimar a força do CMS, conforme relatado por Pai et al. [25]. Em seu relatório, a mudança de R Hall - H z faz loops em H x pode ser bem explicado por um modelo quiral Néel DW. O turno foi definido como H ELA , que pode ser usado para quantificar a eficiência SOT χ H ELA / J ( J é a densidade da corrente de carga). O método foi utilizado para caracterizar a resistência do DMI e a eficiência do SOT neste trabalho. Além disso, um microscópio magneto-óptico Kerr com efeito polar Kerr foi usado para monitorar o movimento DW sob o campo aplicado ou pulso de corrente em temperatura ambiente.

Resultados e discussão


Com base no modelo quiral Néel DW, primeiro investigamos os loops Hall anômalos sob o campo de polarização no plano H x para obter força DMI e eficiência SOT (veja o arquivo adicional 1). O campo efetivo DMI obtido ( H DMI ) para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta é cerca de 1370 e 1055 Oe, respectivamente. O saturado χ ( χ sat ) representando a maior eficiência SOT é cerca de 10,0 e 8,3 Oe / (10 6 A / cm 2 ) para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta, respectivamente. A diminuição χ sat para Pt / Co / C / Ta pode ser em que alguma interdifusão e reação química da interface entre Co e C, bem como a interface entre C e Ta, aumenta a probabilidade de inversão de spin e reduz a injeção efetiva de corrente de spin do Ta superior . Além disso, a força da constante de troca DMI | D | também pode ser calculado a partir do medido | H DMI | usando | D | = μ 0 M s | H DMI | [26], onde é a largura DW e se relaciona com a constante de rigidez de câmbio A e densidade de energia PMA efetiva K eff por meio de =( A / K eff ) 1/2 . Usando M s (respectivamente cerca de 1,213 × 10 6 e 1,288 × 10 6 A / m para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta) e K eff (respectivamente cerca de 4,1 × 10 5 e 2,1 × 10 5 J / m 3 para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta) conforme relatado no trabalho anterior e assumindo A ≈ 1 . 5 × 10 −11 J / m [27], estimamos | D | =1,01 ± 0,16 mJ / m 2 para Pt / Co / Ta e | D | =1,15 ± 0,14 mJ / m 2 para Pt / Co / C / Ta. A diferença de | D | o valor parece ser fraco nessas duas amostras. Isso pode ser explicado pelo fato de que a força DMI total resulta das duas contribuições das interfaces Pt / Co inferiores e das interfaces Co / Ta ou Co / C superiores. Como as interfaces Pt / Co inferiores são muito semelhantes, elas contribuem igualmente para | D | Considerando que, para a contribuição da interface Co / Ta ou Co / C superior, Ma et al. [28] relatou que | D | induzido por Ta é muito mais fraco do que Pt. Portanto, a interface Co / Ta superior é fraca para a contribuição do total | D | E a contribuição da interface Co / C superior também é insignificante devido ao acoplamento spin-órbita muito fraco de C. Também é notado que as interfaces Pt / Co inferior e Co / Ta superior contribuem para o DMI, mas podem cancelar parcialmente uns aos outros [28], levando a uma ligeira diminuição | D | para amostras de Pt / Co / Ta em comparação com as amostras de Pt / Co / C / Ta. Como consequência, o similar | D | para amostras de Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta revela que a força DMI vem principalmente da contribuição da interface Pt / Co. Além disso, para essas duas amostras, H DMI / H K (respectivamente cerca de 0,2 e 0,3 para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta) é menor que 2 / π. Enquanto H DMI não está além do limite teórico necessário para estabilizar Néel DWs [25, 26], o quiral Néel DW nessas duas amostras é demonstrado pela observação do comportamento CIDWM que será discutido abaixo. Enquanto isso, o loop de Hall anômalo sob o campo de polarização no plano ( H y ) ortogonal a direção da corrente também são investigadas. Mesmo sendo um grande H y é aplicado, a mudança de R Hall - H z loops é bem pequeno (veja o arquivo adicional 1). Pode ser devido a que H y transforma gradualmente os DWs do tipo Néel quirais em DWs do tipo Bloch, e o campo efetivo H ELA é quase zero para um DW do tipo Bloch de acordo com a fórmula [10, 29, 30]:
$$ {\ overset {\ rightharpoonup} {H}} _ {SHE} =- \ frac {\ mathrm {\ hslash} {\ theta} _ {SHE} {J} _x} {2 \ left | e \ right | {M} _s {t} _F} \ left [\ widehat {m} \ times \ left (\ widehat {z} \ times \ widehat {j} \ right) \ right] $$ (1)
onde, θ ELA , Sra. , t F , J x , \ (\ widehat {m} \) e \ (\ widehat {j} \) representam o ângulo de Hall de spin efetivo, magnetização de saturação da camada FM, espessura da camada FM, densidade de corrente ao longo de x direção, vetor unitário da magnetização e vetor unitário da densidade de corrente, respectivamente.

Em seguida, a velocidade DW ( v ) sob o campo magnético fora do plano e pulso de corrente no plano foram medidos usando o microscópio Kerr para investigar o comportamento do movimento DW. Um DW pré-preparado foi formado usando um pulso de campo magnético logo acima do campo de nucleação após a pista de corrida saturada em um grande campo magnético oposto. Velocidade abaixo de H z pulso é mostrado na Fig. 1a, b para duas amostras. Para Pt / Co / C / Ta, v ainda é menor do que a amostra de Pt / Co / Ta, mesmo sob um grande campo magnético de condução. É possivelmente devido à formação de muito mais defeitos após a decoração C, o que aumenta os campos de pinning [23]. Também pode ser visto que lg v é proporcional a H z -1/4 , indicando um regime de fluência de movimento DW de acordo com a lei de fluência [31]:
$$ v ={v} _0 \ exp \ left [- \ frac {U_c} {k_BT} {\ left (\ frac {H_ {dep}} {H} \ right)} ^ {1/4} \ right] $$ (2)
Velocidade DW em função do campo fora do plano H z para Pt / Co / Ta ( a ) e Pt / Co / C / Ta ( b ) As inserções em a e b representam os instantâneos de domínios em campos diferentes para mostrar a forma DW

onde U C é uma energia característica relacionada ao potencial de fixação induzido por distúrbio, k B é a constante de Boltzmann, T é a temperatura, e H dep é o campo depinning no qual a energia Zeeman é igual à energia fixadora DW. A inclinação de ajuste fornece uma medida de \ (\ frac {U_c} {k_BT} {H_ {dep}} ^ {1/4} =s \), s é cerca de 37,4 e 76,5 Oe 1/4 para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta, respectivamente. Desde o H dep para Pt / Co / C / Ta é duas vezes maior do que para Pt / Co / Ta [23], a diferença de H dep 1/4 entre eles é menor que 1,5. No entanto, a diferença de s entre eles é maior que 2. Isso indica que a amostra Pt / Co / C / Ta tem um potencial de fixação maior, o que é consistente com a discussão acima. Além disso, as inserções na Fig. 1a, b também mostram os instantâneos de imagens de domínio sob diferentes campos magnéticos. Pode-se ver que a forma DW mostra uma distribuição maior para Pt / Co / C / Ta do que para Pt / Co / Ta. Também indica que o potencial de fixação não é muito homogêneo em Pt / Co / C / Ta devido à decoração C induzindo locais de fixação distribuídos aleatoriamente. Já a inclinação DW regular sob o campo magnético não é observada para essas duas amostras, o que difere do modelo teórico de coordenadas coletivas [20].

Posteriormente, o comportamento do CIDWM também foi investigado para fazer uma comparação com o movimento DW induzido por campo. Um domínio up-to-down (UD) ou down-to-up (DU) foi primeiramente nucleado por um campo magnético de pulso de um estado saturado e, em seguida, uma corrente de pulso foi aplicada para empurrar o movimento DW usando um gerador de pulso com largura de pulso na faixa de 5–100 ns. A Figura 2a, b mostra a velocidade CIDWM sem quaisquer campos magnéticos aplicados. A velocidade positiva ou negativa significa o movimento DW ao longo ou contra a direção atual. Implica na formação de um quiral Néel DW com a existência de DMI nessas duas amostras [10, 30]. O aumento da velocidade na densidade de corrente mais alta é devido ao aumento de H ELA atuando no quiral Néel DW. No entanto, ele precisa de densidade de corrente duas vezes maior para atingir a mesma velocidade DW em Pt / Co / C / Ta em comparação com a de estruturas Pt / Co / Ta. Isso pode ser atribuído à redução da eficiência do SOT e ao aumento da barreira de potencial de fixação pela decoração da interface C. Além disso, a velocidade DW por condução atual é cerca de 10 3 vezes maior do que pelo campo magnético acionado com o campo efetivo gerado pela corrente mantendo o mesmo valor do campo magnético. Ele revela que outros mecanismos, como aquecimento de Joule e / ou campo de Oersted gerado a partir da corrente, também podem desempenhar um papel significativo no CIDWM. Deve-se notar, na Fig. 2b, bem como na Fig. 3c, que as diminuições da velocidade DW e do ângulo de inclinação DW são observadas na amostra Pt / Co / C / Ta quando a densidade de corrente está em ± 19,2 MA / cm 2 . Enquanto isso, pode-se ver mais área de nucleação, como pontos brancos ou pretos na inserção das Figs. 2b e 3c em densidades de corrente mais altas. Isso pode ser atribuído ao fato de que a térmica ativa alguns locais de nucleação aleatória em grandes densidades de corrente devido ao grande aquecimento Joule existente e a paisagem de barreira de potencial de fixação também pode ser redistribuída, o que pode exercer uma influência na velocidade de movimento e ângulo de inclinação.

Velocidade DW contra densidade de corrente para Pt / Co / Ta ( a ) e Pt / Co / C / Ta ( b ) As inserções em a e b representam os instantâneos da forma do domínio na densidade de corrente representativa

( a ) As imagens Kerr fornecem a definição do ângulo de inclinação DW ( ψ ) e mudanças de ψ em diferentes densidades de corrente de "para cima" para "para baixo" e "para baixo" para "para cima", tomando a amostra de Pt / Co / Ta como exemplo. Ângulo de inclinação DW versus densidade de corrente para Pt / Co / Ta ( b ) e Pt / Co / C / Ta ( c ) As inserções em b e c representam os instantâneos da forma do domínio em diferentes densidades de corrente

Durante o movimento DW induzido pela corrente, o fenômeno de inclinação DW é claramente observado nessas duas amostras e a inclinação é gradualmente formada em uma observação dependente do tempo com um pulso curto suficiente como a força motriz. A fim de obter uma visão sobre a inclinação DW induzida pela corrente, medimos o ângulo de inclinação DW ( ψ ) que é definido na Fig. 3a em diferentes densidades de corrente. Também deve ser notado que o ângulo de inclinação pode mudar ligeiramente durante o movimento devido à ampla distribuição de depinning ao longo das pistas, o que resultará em um grande erro de medição em uma densidade de corrente específica. Na Fig. 3b, c pode-se ver uma dependência quase linear do ângulo de inclinação na densidade de corrente para ambas as amostras. Isso está de acordo com o trabalho teórico anterior [20], no qual podem ser observadas dependências aproximadamente lineares do ângulo de inclinação e da velocidade DW na menor densidade de corrente. No entanto, um grande ângulo de inclinação DW ocorre com pelo menos uma ordem de densidade de corrente maior em sua simulação. Isso não é consistente com nossa observação e o comportamento de inclinação também não é observado durante o movimento DW induzido por campo em nosso experimento. Portanto, a influência do DMI ou da distribuição graduada da barreira de potencial de pinagem na inclinação DW induzida por corrente pode ser fraca. Além disso, o efeito Hall anômalo também pode levar à inclinação DW, mas espera-se que a contribuição seja pequena em uma pista de corrida com nanômetros de espessura [20]. Uma possível explicação é que a corrente aplicada não gera apenas o campo efetivo de spin Hall H ELA , mas também o campo Oersted ( H Oersted ) que também pode levar ao movimento DW. Ambos H ELA e H Oersted pode ter uma influência na inclinação do DW. Na Fig. 4, traçamos o esboço desses campos efetivos para esclarecer o comportamento de inclinação DW. O arranjo do domínio é mostrado como esboços U-D-U-D, e a magnetização no DW com quiralidade canhota é mostrada como uma seta preta fina ao longo da orientação no plano. Em uma pista de corrida uniforme e fina, se a espessura ( t ) é muito menor que a largura ( w ), o H gerado Oersted está concentrado nas duas arestas e seu componente médio sobre a espessura pode ser calculado por H Oersted = ± jt [3 + 2ln w / t ] / 4π [22]. O H obtido Oersted estão em torno de 19,6 e 37,4 Oe para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta usando a densidade de corrente máxima de 10,0 e 19,2 MA / cm 2 , respectivamente, que é comparável ao campo efetivo de spin Hall H ELA (cerca de 100,0 e 159,4 Oe para Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta nas mesmas densidades de corrente). Desde H ELA e H Oersted têm a mesma direção nas posições marcadas como estrelas verdes, um campo efetivo maior atuará no DW na área da estrela verde, o que resulta em uma velocidade muito maior em comparação com aquela na área oposta das estrelas verdes na pista. Portanto, um DW inclinado com uma forma trapezoidal específica pode ser formado mostrado no painel inferior esquerdo da Fig. 4. A inserção da Fig. 3b para Pt / Co / Ta também mostra obviamente a forma semelhante em algumas densidades de corrente representativas. Além disso, o aumento do ângulo de inclinação na maior densidade de corrente pode ser explicado pela grande diferença de velocidade em ambas as bordas da pista devido ao aumento de H Oersted . Enquanto isso, pode-se descobrir que a forma do domínio terá uma transformação uma vez que os arranjos do domínio e / ou a polaridade atual mudem de acordo com a análise acima. Toda a forma de domínio esboçada em um pulso atual é consistente com as observações experimentais. Além disso, a explicação acima sobre inclinação DW também é válida quando um plano H x ou H y é aplicado. Quando H x for aplicado, ele mudará a orientação da magnetização em DWs. Portanto, o H ELA mudará um sinal para o DW com sua magnetização horizontal original oposta a H x , o que faz com que o domínio em forma de trapézio se expanda ou encolha (dependendo do sinal de H x ) como mostrado no painel do meio direito da Fig. 4. Quando H y é aplicado, um forte H y irá mudar um DW do tipo Néel para um Bloch. H ELA se tornará zero de acordo com a Eq. (1), e apenas o campo Oersted gerado atualmente H Oersted impulsiona o movimento DW. Isso fará com que o domínio se expanda em uma extremidade. Também se pode ver que a mudança de domínio na borda acontece como H y está em torno de - 1400 Oe, conforme mostrado no painel inferior direito da Fig. 4. Isso é consistente com a análise de que H Oersted como a única força motriz é responsável pelo movimento DW. No entanto, isso não pode levar a um comportamento de inclinação DW normal. Portanto, a inclinação DW induzida pela corrente poderia ser atribuída ao campo de Oersted induzido pela corrente combinado com o campo efetivo de spin Hall.

Movimento DW esquemático e formas de domínio em uma densidade de corrente J . O painel superior esquerdo mostra o domínio com esboços U-D-U-D e a orientação da magnetização (seta preta fina) no domínio e DWs. Uma vez que uma corrente aplicada, o H gerado ELA atuando nos DWs são mostrados como setas vermelhas grossas, enquanto os campos de Oersted ( H Oersted ) em ambos os lados da pista são mostrados como setas azuis traço. O painel inferior esquerdo mostra a mudança correspondente da forma do domínio (denotado como blocos pretos grossos com traços) sob a ação de H ELA e H Oersted . O painel direito mostra o efeito dos campos magnéticos no plano na forma do domínio para Pt / Co / Ta

Conclusões


Em resumo, o movimento e a inclinação da parede do domínio induzidos pela corrente são observados nas estruturas Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta. A força DMI e a eficiência SOT são obtidas usando um método de medição de transporte que pode chegar a 1,01 ± 0,16 (1,15 ± 0,14) mJ / m 2 e 10,0 (8,3) Oe / MA / cm 2 para amostras de Pt / Co / Ta (Pt / Co / C / Ta), respectivamente. A força DMI semelhante para amostras de Pt / Co / Ta e Pt / Co / C / Ta revela que a força DMI vem principalmente da contribuição da interface Pt / Co. A velocidade DW reduzida no movimento DW induzido por campo para Pt / Co / C / Ta indica que a velocidade DW está relacionada à barreira de potencial de fixação. Além disso, o aquecimento Joule gerado pela corrente e o campo de Oersted desempenham um papel significativo no movimento DW e na inclinação. Para a aplicação de memória de pista de corrida, o grande campo de Oersted gerado pela corrente deve ser considerado, uma vez que mudará drasticamente a forma do bit de gravação e até mesmo encolherá a área dos bits de gravação. Isso pode não ser benéfico para a aplicação prática. Nossas descobertas podem fornecer algumas perspectivas de design para impulsionar o movimento DW em memórias de pista de corrida baseadas em SOT.

Abreviações

CIDWM:

Movimento da parede de domínio induzido pela corrente
DMI:

Interação Dzyaloshinskii-Moriya
D-U:

Down-to-up
DW:

Parede de domínio
FIDWM:

Movimento de parede de domínio induzido por campo
FMs:

Ferromagnetos
HM:

Metal pesado
PMA:

Anisotropia magnética perpendicular
SOT:

Torque rotação-órbita
STT:

Torque de transferência de rotação
U-D:

De cima para baixo

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