O Mundo das Baixas Temperaturas

Transcrição

1 O Mundo das Baixas Temperaturas Supercondutividade, Magnetismo e outras histórias Luis Ghivelder

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 C ( 38 K) Nitrogênio e Metano sólidos No espaço C (2.7 K) Radiação proveniente do Big-Bang

4 O Zero Absoluto!!! C Lord Kelvin ( )

5 Como fazer experimentos a baixas temperaturas??? Nitrogênio líquido -196 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

8 Muito baixas temperaturas Refrigerador de Diluição (He 3 /He 4 ) 0.01 K (10 mk) IF-UFRJ, sala 425

9 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

10 Supercondutividade Resistência elétrica nula

11 A descoberta da supercondutividade Kammerlingh Onnes ( )

12 Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

13 Li Be Os elementos supercondutores Na Mg Al K Ca Sc Ti Rb Sr Y Zr Cs Ba La Hf 0.12 Temperatura de transição (K) Campo magnértico crítico (mt) V Nb Ta Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 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 Tc mais alto Bons condutores não são supercondutores Supercondutor sob pressão Fe T c =1K (p=20gpa)

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

15 Campo magnético Corrente Campo Material gerado elétrica magnético Supercondutor pelas superficial correntes externo superficiais i i i B A

16 O supercondutor gera correntes superficiais que blindam o campo magnético externo correntes de blindagem B A B A i i i campo magnético aplicado campo devido as correntes de blindagem Diamagnetismo perfeito

17 Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética

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

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

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

21 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

22 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

23 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)

24 A supercondutividade ocorre em planos de CuO 2 YBa 2 Cu 3 O 7-δ Vórtices em panquecas

25 Aplicações práticas de supercondutividade Corrente crítica de Materiais supercondutores Construção de solenóide para geração de campo magnético

26 Comportamento dos materiais em condições extremas Baixas Temperaturas Altos campos magnéticos

27 Magnitude de alguns campos magnéticos Terra 3 x 10-5 T / 0.3 Oe Corpo humano 3 x T / 3 x 10-6 Oe Superfície do sol 3 x 10-2 T / 30 Oe Imã de geladeira Auto-falante 0.3 T/ 3000 Oe

28 Solenóide supercondutor 5 a 20 T / 50 a 200 koe

29 Propriedades magnéticas da matéria Ferromagnetismo Alinhamento perfeito dos momentos magnéticos Domínios magnéticos Ordenamento de spins Campo magnético

30 elétrons 3d 0.25 nm Metais de transição (Fe, Co, Ni) Acoplamento forte T C 1000 K elétrons 4f 5d, 6s 0.36 nm Terra rara (Nd, Dy) Acoplamento fraco T C K

31 Resistividade Metal não supercondutor Supercondutor Como fica a resistividade em função do campo magnético aplicado? Magnetoresistência: MR (%) = R( H ) R(0) R(0)

32 Magnetoresistência Gigante (GMR) Magnetoresistência (%) Multi-camadas magnéticas Campo magnético aplicado Fe Cr

33 Materiais Magnéticos na Informática magnetos de NdFeB Disco rígido Co-Ni-Cr Materiais FM moles Fe-Ni, Nanocristalinos Cabeça de Leitura e Gravação Elemento GMR

34 Infra-estrututa experimental para pesquisa no Laboratório de Baixas Temperaturas do IF-UFRJ

35 Calor Específico H = 7 T, 2.0 a 350 K 20 a 300 K

36 He a 40 K Refrigerador de Diluição 0.05 a 4 K

37 Magnetização, Transporte,Calor Específico PPMS 1.9 a 350 K, H = 9 T Acesso remoto, operação contínua

38 VSM 14 T SQUID - 6 T Refrigerador de diluição de plástico 0.1 K

39 Criogenia ~ 2 mil litros de He líquido por mês