O Mundo das Baixas Temperaturas:

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

2. Geladeira  5 C Freezer  - 20 C

3. Antártica  - 89 C ( 184 K ) Lua de Netuno, Triton -235 C ( 38 K) No espaço  - 270.4 C (2.7 K) Gelo seco (CO2 sólido)  - 78 C (195 K) Usado para guardar sorvete Temperatura mais fria ja registrada na terra Nitrogênio e Metano sólidos Radiação proveniente do Big-Bang

4. Antártica  - 89 C ( 184 K ) Cosmic Background Explorer (COBE) Lua de Netuno, Triton -235 C ( 38 K) No espaço  - 270.4 C (2.7 K) Gelo seco (CO2 sólido)  - 78 C (195 K) Usado para guardar sorvete Temperatura mais fria ja registrada na terra Nitrogênio e Metano sólidos Radiação proveniente do Big-Bang

5. -273,2 C O Zero Absoluto !!! Lord Kelvin (1824 -1907)

6. Nitrogênio líquido  - 196 C ou 77 K Como fazer experimentos a baixas temperaturas ???

8. 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

9. Refrigerador de Diluição (He3/He4) 0.01 K (10 mK) Muito baixas temperaturas Lab. Baixas Temperaturas, IF - UFRJ T min = 0.05 K

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

11. Supercondutividade Resistência elétrica nula

12. A descoberta da supercondutividade Kammerlingh Onnes (1853 – 1926)

13. Temperatuta crítica de alguns materiais supercondutores

14. Os elementos supercondutores Temperatura de transição (K) Campo magnértico crítico (mT) Fe Nb (Nióbio) Tc= 9K Bons condutores não são supercondutores Elementos magnéticos não são supercondutores Tc mais alto

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

16. Material Supercondutor Campo magnético externo Corrente elétrica superficial Campo magnético gerado pelas correntes superficiais Expulsão do campo magnético BA i i i Diamagnetismo perfeito

17. Levitação magnética Campo magnético não entra na amostra

18. tipo II tipo I T > TC Campo magnético penetra em “tubos” de diâmetro λL formando regiões normais dentro do material Campo magnético penetra somentenuma pequena profundidade λL VÓRTICES Supercondutores tipo II

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

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

21. Teoria BCS - 1957 Bardeen, Cooper, e Schrieffer O que torna os materiais supercondutores ??? Interação dos elétrons com a rede forma pares de elétrons, que atravessam o material livremente

22. 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 A grande descoberta de 1986 Bednorz e Müller Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

23. Materiais Supercondutores HgBa2Ca2Cu3O9 (sob pressão) 160 140 HgBa2Ca2Cu3O9 TlBaCaCuO 120 BiCaSrCuO 100 YBa2Cu3O7 Temperatura de transição supercondutora (K) Temperatura do Nitrogênio Líquido (77K) 80 60 (LaBa)CuO 40 Nb3Ge Nb3Sn NbN NbC 20 Nb Pb Hg V3Si 1910 1930 1950 1970 1990

24. YBa2Cu3O7- Vórtices em panquecas A supercondutividade ocorre em planos de CuO2

25. Aplicações práticas de supercondutividade Geração de campos magnéticos

26. Fios supercondutores Nb3Sn NbTi BiSrCaCuO-Ag MgB2

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

28. 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

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

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

31. Terra 3 x 10 -5 T / 0.3 Oe Corpo humano 3 x 10-10 T / 3 x 10-6 Oe Imã de geladeira 0.3 T/ 3000 Oe Auto-falante Vamos entender a magnitude de alguns campos magnéticos

32. Solenóide convencional (eletroimã) Solenóide supercondutor 0.5 a 2 T / 50 a 200 kOe 5 a 20 T / 50 a 200 kOe

33. 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

34. Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (II) Campos magnéticos pulsados, até H = 300 T Banco de Capacitores LNCMP – Toulosse, França

35. Porque realizar esses estudos ??? Aplicações ou ciência básica ?? Pesquisas com campos magnéticos muito intensos (III) Magnetos destrutivos, até H = 1000 T emalguns microsegundos

36. 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

37. Fim… Fiquem um pouco mais para assistir a um experimento de levitação de um imã sobre um material supercondutor