O Mundo dasBaixas Temperaturas:

Supercondutividade, campos magnéticos e outras histórias

Luis Ghivelder

Laboratório de Baixas Temperaturas

Instituto de Física - UFRJ

Geladeira � 5 °C

Freezer � - 20 °C

Luis Ghivelder

Antártica � - 89 °C ( 184 K )

No espaço � - 270.4 °C (2.7 K)

Lua de Netuno, Triton� - 235 °C ( 38 K)Nitrogênio e Metano sólidos

Radiação proveniente do Big-Bang

Gelo seco (CO2 sólido) � - 78 °C (195 K)

Temperatura mais fria ja registrada na terra

Usado para guardar sorvete

Luis Ghivelder

Lord Kelvin (1824 -1907)

O Zero Absoluto !!!

-273,2 °°°°C

Luis Ghivelder

Como fazer experimentos

a baixas temperaturas ???

Nitrogênio líquido � - 196 °C ou 77 K

Luis Ghivelder

Luis Ghivelder

Hélio líquido � 4.2 K ( -269 °C )

Hélio líquido bombeado �

1.4 K ( - 272 °C )

He3 bombeado � 0.3 KIsótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron

Luis Ghivelder

Refrigeradorde Diluição(He3/He4)

0.01 K (10 mK)

Muito baixas temperaturas

T min = 0.05 K

Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ

Luis Ghivelder

Derretimento do gelo (0 °C)

Derretimento do ferro

Nebulósa estelar

Explosão nuclear

Dentro do sol

Dentro de estrelas quentes espaço

Hélio líquido

Nitrogênio líquido

Derretimento do gelo (0 °C)

4Hélio superfluido

Menor temperatura de elétrons em um metal

Menor temperatura do 3Hélio

Menor temperatura de núcleos em um sólido

Zero absoluto

3Hélio superfluido

T (K)

Luis Ghivelder

Supercondutividade

Resistência elétrica nula

Metal normal

Luis Ghivelder

A descoberta da supercondutividade

Kammerlingh Onnes

(1853 – 1926)

Luis Ghivelder

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

Luis Ghivelder

Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

Luis Ghivelder

Os elementos supercondutoresLi Be

0.026

B C N O F Ne

Na Mg Al 1.14 10

Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti 0.39 10

V 5.38 142

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn 0.875 5.3

Ga 1.091

5.1

Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr 0.546

4.7

Nb 9.5 198

Mo 0.92 9.5

Tc 7.77 141

Ru 0.51

7

Rh 0.03

5

Pd Ag Cd 0.56

3

In 3.4 29.3

Sn 3.72 30

Sb Te I Xe

Cs Ba La 6.0 110

Hf 0.12

Ta 4.483

83

W 0.012 0.1

Re 1.4 20

Os 0.655 16.5

Ir 0.14 1.9

Pt Au Hg 4.153

41

Tl 2.39 17

Pb 7.19 80

Bi Po At Rn

Temperatura de transição (K)Campo magnértico crítico (mT)

Bons condutores não são supercondutoresNb(Nióbio)

Tc= 9KTc mais alto

Fe

Elementos magnéticos não são supercondutores

Luis Ghivelder

Efeito Meissner (1933)

O campo magnético énulo dentro de um supercondutor

Luis Ghivelder

BA

i i i

Material SupercondutorCampo magnético externoCorrente elétrica superficialCampo magnético gerado pelas correntes superficiais

BA

Diamagnetismo perfeito

Expulsão do campo magnético

Luis Ghivelder

Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética

Luis Ghivelder

Supercondutores tipo II VÓRTICES

Campo magnético penetrasomentenuma pequena

profundidade λL

Campo magnético penetraem “tubos” de diâmetroλL formando regiões

normais dentro do material

T > TC tipo I tipo II

Luis Ghivelder

Supercondutores tipo II VÓRTICES

Supercondutor tipo II

Vórtices

Corrente

0.1 micron = 1 x 10-4 mm

Luis Ghivelder

Limitador paraaplicações práticas

CORRENTE CRÍTICA

Para uma dada temperatura T, a amostra só ésupercondutora abaixo de um campo crítico Hc

Luis Ghivelder

O que torna os materiais supercondutores ???

Teoria BCS - 1957

Bardeen, Cooper, e Schrieffer

Interação dos elétronscom a rede forma pares de elétrons,

que atravessamo material livremente

Luis Ghivelder

A grande descoberta de 1986

Supercondutividade de Alta Temperatura

Bednorz e Müller

LaBaCuO 40 K / -233 ºCO primeiro:

HgTlBaCaCuO 138 K / -135 ºCO recorde:

YBaCuO 92 K / -181 ºCO mais estudado:

Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

Luis Ghivelder

Materiais Supercondutores

1910 1930 1950 1970 1990

20

40

60

80

100

120

140

160

Te

mp

era

tura

de

tra

ns

içã

os

up

erc

on

du

tora

(K)

HgPb NbNbCNbC NbNNbN

V3SiV3Si

Nb3SnNb3Sn Nb3GeNb3Ge

(LaBa)CuO(LaBa)CuO

YBa2Cu3O7YBa2Cu3O7

BiCaSrCuOBiCaSrCuO

TlBaCaCuOTlBaCaCuO

HgBa2Ca2Cu3O9HgBa2Ca2Cu3O9

HgBa2Ca2Cu3O9

(sob pressão)

HgBa2Ca2Cu3O9

(sob pressão)

Temperatura do

Nitrogênio Líquido

(77K)

Luis Ghivelder

A supercondutividade ocorre em planos de CuO2

YBa2Cu3O7-δ

Vórtices em panquecasEstrutura cristalina determinada

através de difração de raios-x

Física Muito Complexa

Determinação de estrutura cristalina com difração de Raios-X

Laboratório Nacional de Luz SincrotronLNLS – Campinas, São Paulo

Medida de difração de raios-XAlta resolução

Ba1-x

KxFe

2As

2

La1-xCaxMnO

3

Novos materiais supercondutores vemsendo descobertos periodicamente

1987 YBaCuO (HTSC)

2008 BaKFeAs (pinictideos)

1999 MgB2

Muitas questões em aberto:Mecanismos resposnsaveis pela supercondutividade

Aplicações

Luis Ghivelder

Aplicações práticas de supercondutividade

Geração de campos magnéticos

Fonte de potência

Luis Ghivelder

Fios supercondutores

Nb3Sn

NbTi

BiSrCaCuO-Ag

MgB2

Luis Ghivelder

Construindo solenóides supercondutores (I)

Aplicações na física da matéria condensada - materiaisLuis Ghivelder

Os solenóides supercondutores são colocados em criostatos, para realização de experimentos combinando

baixas temperaturas e altos campos magnéticos

Estudo do comportamento de materiais em condições extremas

“Quench” do magnetosupercondutor

Luis Ghivelder

O Laboratório de Baixas Temperaturas - UFRJO Laboratório de Baixas Temperaturas - UFRJ

PPMSPPMS

Construindo solenóides supercondutores (II)

Aplicações na física nuclear de altas energiasLuis Ghivelder

Construindo solenóides supercondutores (III)

Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnéticaLuis Ghivelder

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 FeynmanPrêmio Nobel de Física em 1965

pela descoberta da eletrodinâmica quântica

Luis Ghivelder

Fiquem um pouco mais paraassistir a um experimento

de levitação de um imã sobre um material supercondutor

Luis Ghivelder