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Magnetismo

IF-UFRJ, 9 de abril de 2009 Marcello Barbosa da Silva Neto

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Aplicações

do

MAGNETISMO!

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Magnetismo no dia a dia...

e…

Produção de Energia Transporte

Ressonância Magnética Medicina do Câncer

Discos Rígidos

Meio Ambiente

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… fazer um sapo voar !!!

• The flying dutch frog levita em um campo magnético de 16 T no laboratório de altos campos magnéticos em Nijmegen.

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MAGNETISMO = Reconhecimento

Curies

Faraday

Gauß

Tesla

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Um pouco de história…

• MAGNETISMO é uma palavra originária da antiga cidade grega de Magnesia, onde o material magnético, Fe3O4, a magnetita, era abundante.

• Plínio, o antigo, (23-79 AD Romano) já escrevia sobre uma montanha próxima ao rio Indus que era composta inteiramente de uma rocha que atraía ferro.

• Bússola chinesa (121 AD) - uma barra de ferro próxima a um destes magnetos naturais poderia adquirir e reter a propriedade magnética… e tal barra, quando suspensa por um fio, se alinharia na direção norte-sul.

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O Conceito de “Campos”

Um magneto produz um ‘campo magnético’ distribuído por todo o espaço ao redor

Michael Faraday percebeu que ...

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O Conceito de “Campos”

Um magneto produz um ‘campo magnético’ distribuído por todo o espaço ao redor

Michael Faraday percebeu que ...

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Polos Norte e Sul - Monopolos

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Polos Norte e Sul - Monopolos

! · E =!

4"#0! · B = 0

Leis de Gauß - Eletrostática e Magnetostática

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Preenchendo TODO o espaço

Duas ferraduras O pêndulo caótico

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Preenchendo TODO o espaço

Duas ferraduras O pêndulo caótico

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A Bússola Moderna

• O pólo norte da bússola aponta na direção do pólo sul do campo magnético da terra.

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De volta à bússola chinesa ...

Campo Magnético AplicadoA barra de ferro usada pelos chineses

é um ótimo FERROMAGNETO!

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Compreendendo o Magnetismo

O que são estas flechas magnéticas ?

Como elas interagem entre si ?

Exemplos de sistemas magnéticos de interesse!

Conclusões

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O que são estas flechas magnéticas?

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O que são estas flechas magnéticas?

• Oersted (1819) – agulha p róx ima a um f i o é defletida.

• Faraday (1831) – magneto em movimento produz corrente elétrica.

TODO fenômeno magnético resulta de forças entre cargas eléctricas em movimento !!!

L – o momento angular ORBITAL

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A experiência de Stern e Gerlach

• Mesmo sem movimento orbital os átomos podem ter um momento magnético: o SPIN.

• O spin é uma propriedade intrínsica das partículas, como sua massa e carga.

S – o momento angular de SPIN

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O momento angular total J=L+S

µB = e!2mc

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Valores Experimentais

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Valores Experimentais

Contribuição ORBITAL irrelevante !!!

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Quenching da componente orbital L

A componente orbital é quenched.Somente o spin é relevante.

A componente orbital Não é quenched.O spin TOTAL J é o objeto relevante.

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To quench or not to quench…

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To quench or not to quench…

Metais de transição - Quenched!

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To quench or not to quench…

Metais de transição - Quenched!

Terras raras – NÃO quenched!

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Afinal de contas: o que é quenching?

Mn : [Ar]3d54s2

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Afinal de contas: o que é quenching?

Mn : [Ar]3d54s2

Parcialmente preenchida

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Afinal de contas: o que é quenching?

Mn3+ : [Ar]3d4

Parcialmente preenchida

Camada 3d4 - Exposta!!!

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Mn3+ : [Ar]3d4

Quenching de L - metais de transição

Os elétrons da camada-d sentemFORTEMENTE o campo cristalino

S = 2, L = 2

2 1 0 -1 -2

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Mn3+ : [Ar]3d4

Quenching de L - metais de transição

Os elétrons da camada-d sentemFORTEMENTE o campo cristalino

S = 2, L = 2

2 1 0 -1 -2

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E

eg

t2g

Quenching de L - metais de transição

Mn3+ : [Ar]3d4 !!L" # 0

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E

Quenching de L - metais de transição

Mn3+ : [Ar]3d4

!!L" = 0

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E

Quenching de L - metais de transição

Mn3+ : [Ar]3d4

!!L" = 0

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U : [Rn]7s25f36d1

Não quenching de L nos terras raras

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U : [Rn]7s25f36d1

Não quenching de L nos terras raras

Parcialmente preenchida

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Camada 5f incompleta

Parcialmente preenchida

U4+ : [Rn]5f2

Não quenching de L nos terras raras

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5p, 6s - CompletasBlindagem!!!Camada 5f incompleta

Parcialmente preenchida

U4+ : [Rn]5f2

Não quenching de L nos terras raras

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Não quenching de L nos terras raras

S = 1, L = 5

3 2 1 0 -1 -2 -3

J=|L-S|=4

U4+ : [Rn]5f2U

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Não quenching de L nos terras raras

S = 1, L = 5

3 2 1 0 -1 -2 -3

J=|L-S|=4

U4+ : [Rn]5f2U

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Não quenching de L nos terras raras

Os elétrons da camada-f são BLINDADOS pelos elétrons 5p e 6s e NÃO SENTEM o campo cristalino

S = 1, L = 5

3 2 1 0 -1 -2 -3

J=|L-S|=4

U4+ : [Rn]5f2U

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Como as flechas magnéticas interagem entre si ?

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Como se dá a interação magnética ?• Configurações magnéticas diferentes podem surgir à partir

de diferentes tipos de interação.

• Diamagnetismo, Paramagnetismo, Ferromagnetismo, Antiferromagnetismo e Ferrimagnetismo.

Modelo de Heisenberg Modelo XY Modelo de Ising

[Jab] =

!

"J 0 00 J 00 0 J

#

$ [Jab] =

!

"J 0 00 J 00 0 0

#

$ [Jab] =

!

"0 0 00 0 00 0 J

#

$

H =!

R,R!

Jab(R,R!)Sa(R)Sb(R!)

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Exemplos de estados magnéticosDiamagnetismo: os átoms nãopossuem momento magnético.

Paramagnetismo: os átoms possuem momentos magnéticos aleatóreos.

Ferromagnetismo: os átoms possuem momentos magnéticos paralelos.

Anti-ferromagnetismo: os átoms possuem momentos magnéticos antiparalelos.

Ferrimagnetismo: os átoms possuem momentos magnéticos antiparalelos,mas com magnitudes diferentes.

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Suscetibilidade Magnética

SuscetibilidadeMagnética

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Lei de Curie Weiss

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Lei de Curie Weiss

S = 1, L = 5 J=|L-S|=4

U4+ : [Rn]5f2

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Histerese em Ferromagnetos

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Exemplos de sistemas magnéticos em Matéria Condensada

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Sistemas da Matéria Condensada com Interações de Troca Distintos

• Miragem Quântica - ressonância Kondo

• Magnetoresistência Colossal - hard drives

• Spin-Ice - monopolos magnéticos!!!

e muito mais …

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Miragem Quântica

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Troca Indireta (RKKY) - oscilações de Fridel

Desordem

Criticalidade Quântica!

H =!

R,R!

Jab(R,R!)Sa(R)Sb(R!)

Jab(R,R!) = !absin(r)! r cos(r)

r4

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Criticalidade Quântica - Férmions Pesados

U

Ru,Re

Si

H =!

R,R!

Jab(R,R!)Sa(R)Sb(R!)

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Criticalidade Quântica - Férmions PesadosPonto Crítico Quântico ?

U

Ru,Re

Si

H =!

R,R!

Jab(R,R!)Sa(R)Sb(R!)

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Miragem Quântica: ressonância Kondo!!!

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Interferência construtiva na densidade eletrônica

Miragem Quântica: ressonância Kondo!!!

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Magnetoresistência Colossal

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Dupla Troca nas manganitas

Localizado

Itinerante

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Dupla Troca nas manganitas

Localizado

Itinerante

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Dupla Troca nas manganitas

Localizado

Itinerante

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Dupla Troca nas manganitas

Localizado

Itinerante

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Dupla Troca nas manganitas

Localizado

Itinerante

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Dupla Troca nas manganitas

O transporte é favorecido pelo alinhamento ferromagnético!

Localizado

Itinerante

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Magnetoresistência Colossal

• O campo magnético alinha todos os íons Mn3+.

• Redução Drástica na resistividade: 100,000 %

• Enorme potencial para aplicações como sensores de leitura nasensors na electrônica.

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Peter GrünbergAlbert Fert

O prêmio Nobel de 2007

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Peter GrünbergAlbert Fert

O prêmio Nobel de 2007

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Monopolos Magnéticos

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Polos Norte e Sul - Monopolos

! · E =!

4"#0! · B = 0

Leis de Gauß - Eletrostática e Magnetostática

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Polos Norte e Sul - Monopolos

! · E =!

4"#0! · B = 0

Leis de Gauß - Eletrostática e Magnetostática

No Vácuo!!!

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Monopolos - Física EMERGENTE

Sólidos proveem MEIOS para monopolos

! · B = ! · (H + 4!M) = 0H e M podem ter divergentes NÃO nulos

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Monopolos de Dirac em Spin-Ice

Ho2Ti2O7

Dy2Ti2O7

µeff ! 10µB

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Monopolos de Dirac em Spin-Ice

Ho2Ti2O7

Dy2Ti2O7

µeff ! 10µB

Interações DIPOLARES

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Estrutura molecular tipo ICE

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Estrutura molecular tipo ICE

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Estrutura molecular tipo ICE

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Estrutura molecular tipo ICE

Ice-rule: entram 2 saem 2

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Estrutura molecular tipo ICE

Ice-rule: entram 2 saem 2

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Estrutura molecular tipo ICE

120oHo2Ti2O7

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Estrutura molecular tipo ICE

120oHo2Ti2O7

Ice-rule: entram 2 saem 2

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Monopolos de Dirac

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Monopolos de Dirac

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Monopolos de Dirac

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Monopolos de Dirac

!µ0

4!

q2m

r

Gás de Coulomb / Monopolos

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A string de Dirac

O custo energético para separar os monopolos é FINITO!!!

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De volta aos monopolos...

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Evidência experimental em Dy2Ti2O7

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Evidência experimental em Dy2Ti2O7

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Evidência experimental em

Transição gás-líquido de 1a ordem - proliferação de monopolos

Dy2Ti2O7

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Outras aplicações futuras...

q-bits no grafenoCo em nanotubos

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Outras aplicações futuras...

Magnetismo pode ser usado para fins mais nobres que levitar sapos !!!

q-bits no grafenoCo em nanotubos

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O moranguês voador !

Que tal morangos ?

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Muito Obrigado!!!

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Muito Obrigado!!!


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