O Mundo das Baixas Temperaturas:

Supercondutividade, campos magnéticos e outras histórias

Luis Ghivelder

Laboratório de Baixas Temperaturas

Instituto de Física - UFRJ

Geladeira 5 C

Freezer - 20 C

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

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 sorveteCosmic Background Explorer (COBE)

Lord Kelvin (1824 -1907)

O Zero Absoluto !!!

-273,2 C

Como fazer experimentosa baixas temperaturas ???

Nitrogênio líquido - 196 C ou 77 K

Hélio líquido 4.2 K ( -269 C )

Hélio líquido bombeado 1.4 K ( - 272 C )

He3 bombeado 0.3 K

Isótopo do Hélio com 2 prótons e apenas 1 nêutron

Refrigerador de Diluição

(He3/He4)

0.01 K (10 mK)

Muito baixas temperaturas

T min = 0.05 K

Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ

Derretimento do gelo (0 °C)

Derretimento do ferro

Nebulósa estelar

Explosão nuclear

Dentro do sol

Dentro de estrelas quentes espaçoHélio 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)

Supercondutividade

Resistência elétrica nula

A descoberta da supercondutividade

Kammerlingh Onnes (1853 – 1926)

Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

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 supercondutores

Nb(Nióbio)

Tc= 9KTc mais alto

Fe

Elementos magnéticos não são supercondutores

Efeito Meissner (1933)

O campo magnético é nulo dentro de um supercondutor

BA

i i i

Material SupercondutorCampo magnético externoCorrente elétrica superficialCampo magnético gerado pelas correntes superficiais

BA

Diamagnetismo perfeito

Expulsão do campo magnético

Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética

Supercondutores tipo II VÓRTICES

Campo magnético penetra

somentenuma pequena profundidade λL

Campo magnético penetra

em “tubos” de diâmetro λL formando regiões normais dentro do

material

T > TC tipo I tipo II

Supercondutores tipo II VÓRTICES

Supercondutor tipo II

Vórtices

Corrente

0.1 micron = 1 x 10-4 mm

Limitador para aplicações práticas

CORRENTE CRÍTICA

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

O que torna os materiais supercondutores ???

Teoria BCS - 1957

Bardeen, Cooper, e Schrieffer

Interação dos elétrons com a rede forma pares de elétrons,

que atravessam o material livremente

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 ºC

O mais estudado:

Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

Materiais Supercondutores

1910 1930 1950 1970 1990

20

40

60

80

100

120

140

160

Tem

per

atu

ra d

e tr

ansi

ção

su

per

con

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)

A supercondutividade ocorre em planos de CuO2

YBa2Cu3O7-

Vórtices em panquecas

Aplicações práticas de supercondutividade

Geração de campos magnéticos

Fios supercondutores

Nb3Sn

NbTi

BiSrCaCuO-Ag

MgB2

Construindo solenóides supercondutores (I)

Aplicações na física da matéria condensada - materiais

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 magneto supercondutor

Construindo solenóides supercondutores (II)

Aplicações na física nuclear de altas energias

Construindo solenóides supercondutores (III)

Aplicações na medicina: imagens por ressonância magnética

Corpo humano3 x 10-10 T / 3 x 10-6 Oe

0.3 T/ 3000 Oe

Imã de geladeiraAuto-falante

Vamos entender a magnitude de alguns campos magnéticos

Terra3 x 10 -5 T / 0.3 Oe

Solenóide supercondutor

5 a 20 T / 50 a 200 kOe

Solenóide convencional (eletroimã)0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe

Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (I)

Máximo campo contínuo: combinando solenóides supercondutor e convencional –

H = 45 T

NHMFL – FLORIDA, USA: supercondutor 11.5T, resistivo 33.5T

consumo 36MW, energia armazenada – 100MJ

Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T

Banco de CapacitoresLNCMP – Toulosse, França

Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (II)

Magnetos destrutivos, até H = 1000 T em alguns microsegundos

Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (III)

Porque realizar esses estudos ???Aplicações ou ciência básica ??

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 1965pela descoberta da eletrodinâmica quântica

Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento

de levitação de um imã sobre um material supercondutor

Fim…