O Mundo das Baixas Temperaturas:

Transcrição

1 O Mundo das Baixas Temperaturas: Supercondutividade, campos magnéticos e outras histórias Laboratório de Baixas Temperaturas Instituto de Física - UFRJ

2 Freezer - 20 C Geladeira 5 C

3 Gelo seco (CO2 sólido) - 78 C (195 K) Usado para guardar sorvete Antártica - 89 C ( 184 K ) Temperatura mais fria ja registrada na terra Lua de Netuno, Triton -235 C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang

4 O Zero Absoluto!!! -273,2 C Lord Kelvin ( )

5 Como fazer experimentos a baixas temperaturas??? Nitrogênio líquido C ou 77 K

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7 Hélio líquido 4.2 K ( -269 C ) Hélio líquido bombeado 1.4 K ( C ) He 3 bombeado 0.3 K Isótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron

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9 Muito baixas temperaturas Refrigerador de Diluição (He 3 /He 4 ) 0.01 K (10 mk) Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ T min = 0.05 K

10 Dentro de estrelas quentes T (K) Derretimento do gelo (0 C) Nitrogênio líquido Hélio líquido espaço 4 Hélio superfluido Dentro do sol Explosão nuclear Nebulósa estelar Derretimento do ferro Derretimento do gelo (0 C) 3 Hélio superfluido Menor temperatura do 3 Hélio Menor temperatura de elétrons em um metal Menor temperatura de núcleos em um sólido Zero absoluto

11 Supercondutividade Resistência elétrica nula Metal normal

12 A descoberta da supercondutividade Kammerlingh Onnes ( )

13 Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr, Kamerlingh Onnes (1919)

14 Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

15 Li Be Os elementos supercondutores Na Mg Al Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn K Ca Sc Ti Rb Sr Y Zr Cs Ba La Temperatura de transição (K) Campo magnértico crítico (mt) Hf 0.12 V Nb Ta Mo W Tc Re Ru Os Rh Ir Pd Ag Cd Pt Au Hg B C N O F Ne Ga In Tl Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr Sn Pb Sb Te I Xe Bi Po At Rn Nb (Nióbio) T c = 9K Bons condutores não são supercondutores Elementos magnéticos não são supercondutores Tc mais alto

16 Efeito Meissner (1933) O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor

17 Campo magnético Corrente Expulsão Campo Material gerado elétrica do magnético Supercondutor campo pelas superficial magnético externo correntes superficiais B A B A i i i Diamagnetismo perfeito

18 Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética

19 Supercondutores tipo II VÓRTICES T > T C tipo I tipo II Campo magnético penetra somentenuma pequena profundidadeλ L Campo magnético penetra em tubos de diâmetro λ L formando regiões normais dentro do material

20 Supercondutores tipo II VÓRTICES Vórtices 0.1 micron = 1 x 10-4 mm Corrente Supercondutor tipo II

21 Limitador para aplicações práticas CORRENTE CRÍTICA Para uma dada temperatura T, a amostra só é supercondutora abaixo de um campo crítico H c

22 O que torna os materiais supercondutores??? Teoria BCS Bardeen, Cooper, e Schrieffer Interação dos elétrons com a rede forma pares de elétrons, que atravessam o material livremente

23 A grande descoberta de 1986 Supercondutividade de Alta Temperatura O primeiro: LaBaCuO 40 K / -233 ºC O mais estudado: YBaCuO 92 K / -181 ºC O recorde: HgTlBaCaCuO 138 K / -135 ºC Bednorz e Müller Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

24 Materiais Supercondutores Temperatura de transição supercondutora (K) NbC HgPb Nb NbN Nb 3 Sn V 3 Si HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 (sob pressão) HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 TlBaCaCuO BiCaSrCuO YBa 2 Cu 3 O 7 (LaBa)CuO Nb 3 Ge Temperatura do Nitrogênio Líquido (77K)

25 A supercondutividade ocorre em planos de CuO 2 Física Muito Complexa YBa 2 Cu 3 O 7-δ Estrutura cristalina determinada através de difração de raios-x Vórtices em panquecas

26 Determinação de estrutura cristalina com difração de Raios-X

27 Laboratório Nacional de Luz Sincrotron LNLS Campinas, São Paulo

28 Alta resolução Medida de difração de raios-x

29 Ba 1-x K x Fe 2 As 2 La 1-x Ca x MnO 3

30 Novos materiais supercondutores vem sendo descobertos periodicamente 1987 YBaCuO (HTSC) 1999 MgB BaKFeAs (pinictideos) Muitas questões em aberto: Mecanismos resposnsaveis pela supercondutividade Aplicações

31 Aplicações práticas de supercondutividade Geração de campos magnéticos Fonte de potência

32 Fios supercondutores Nb 3 Sn NbTi BiSrCaCuO-Ag MgB 2

33 Construindo solenóides supercondutores (I) Aplicações na física da matéria condensada - materiais

34 Os solenóides supercondutores são colocados em criostatos, para realização de experimentos combinando baixas temperaturas e altos campos magnéticos Quench do magneto supercondutor Estudo do comportamento de materiais em condições extremas

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36 O Laboratório de Baixas Temperaturas - UFRJ PPMS

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38 Construindo solenóides supercondutores (II) Aplicações na física nuclear de altas energias

39 Construindo solenóides supercondutores (III) Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnética

40 Não leve essa aula muito a sério... apenas relaxe e desfrute. Vou contar para você como a natureza se comporta. Se você simplesmente admitir que ela se comporta dessa forma, você a encontrara encantadora e cativante. Mas não fique perguntando para si próprio: mas como ela pode ser assim? porque nesse caso você entrará em um beco sem saída do qual ninguém nunca escapou. Ninguém sabe porque a natureza é assim. Richard Feynman Prêmio Nobel de Física em 1965 pela descoberta da eletrodinâmica quântica

41 Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento de levitação de um imã sobre um material supercondutor