Supercondutividade

Propriedade Elétrica e

Magnética

A descoberta da supercondutividade 1911

Kammerlingh Onnes

(1853 – 1926)

Superconductividade como Propriedade Elétrica

• Tc = temperatura crítica

• T < Tc – estado supercondutor

Resistividade

elétrica nula

Resis

tivid

ade E

létr

ica ()

Temperatura (K)

Supercondutor

Metal normal

Superconductividade como Propriedade Magnética

Efeito Meissner

=

Diamagnetismo

Perfeito

Supercondutor expele o campo magnético do seu interior

normal superconductorEstado

normalEstado

supercondutor

Chapter 20 -

• A magnetização em supercondutores não

ocorre devido a momentos magnéticos

dos elétrons!!!!!

• A magnetização é devido à corrente

superficial que é induzida na superfície do

material e que não deixa o campo

penetrar.

• A resistência nula permite que estes

valores de corrente sejam extremamente

altos.

5

Chapter 20 -

Origem da Supercondutividade• Interação atrativa elétron-elétron mediada por fônons

• Pares de Cooper - Teoria BCS (1957)

Os pares de elétrons

são os portadores de

carga nestes materiais.

J. Bardeen, L. Cooper e R. Schrieffer

Interação via fonon

Par de Cooper

de elétrons 100 nm

Espaçamento

da rede

0,1-0,4 nm

Chapter 20 -

BCS prevê Tc 30-40KPara T > 30 – 40 K a energia térmica bloqueia a

interação elétron-fônon.

YBa2Cu3O7-x e La(2-x)SrxCuO4 Excesso de cargas positivas supercondutor tipo-p;

La2CuO(4+x) excesso de elétrons supercondutor tipo-n.

Qual o mecanismo que resulta em supercondutividade nos High Tc??

Ainda há muita controvérsia

Chapter 20 -

Comportamento - Tipos de Supercondutores

Tipo IM = - H para H < Hc

M = 0 para H > Hc

Tipo IIM = - H para H < Hc1

M = M(H) para Hc1 < H < Hc2

M = 0 para H > Hc2

Estado Misto

Estado Meissner

Chapter 20 -

Estado Misto

2c1c HHH

Importante para densidade de corrente crítica Jc

H

Chapter 20 -10

Supercondutores tipo II VÓRTICES

0.1 micron = 1 x 10-4 mm =

100 nm

Supercondutor tipo II

Vórtices

Corrente Microscopia magneto-optica

Chapter 20 -

Como seria a curva

M x H?

11

Limites da Supercondutividade• Parâmetros Críticos

– Temperatura Crítica: Tc

– Campo Crítico: Hc (tipo

I), Hc1 e Hc2 (tipo II)

– Densidade de Corrente

Crítica: Jc

2

c

02c2c

T

T1HH

Densidade de corrente J

Temperatura T Campo

Magnético

H

Chapter 20 -

Materiais Supercondutores

Li 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 magnético crítico (mT)

FeTc=1K

(p=20GPa)

Bons condutores não são supercondutores

Nb(Nióbio)

Tc= 9KTc mais alto Supercondutor sob pressão

Fe

Os elementos supercondutores

Chapter 20 -

Alguns elementos supercondutores –Tipo I

Elemento Tc (K) Hc em Oe @ 0 K

Chapter 20 -16

Alguns compostos/ligassupercondutores (as) – Tipo II

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors

Década de 1960

2001

Chapter 20 -17

2

1)0(c

ccT

THH

Dependência de Hc / Hc2 com a temperatura

2

c

2c2cT

T1)0(HH

Chapter 20 -

NbTi e Nb3Sn ~ 1960Os supercondutores mais usados

NbTi

Tc = 9K;

Bc2(em 4,2K) = 11T

Dúctil, abundante, reprodutível

Nb3Sn

Tc = 18K;

Bc2(em 4,2K) = 23T

Melhores Tc e Bc2, porém é frágil

Fio multifilamentar de NbTi

Magneto Supercondutor de NbTi

Caneca de Cu

Caneca de Cu

NbTi Nb

1 T = 104 G

Chapter 20 -

Nb3Sn (Oxford)

19

Magneto de acelerador de dipolo até 16 T.

Magneto persistente de campo 22,3 T (950 MHz) para

NMR.

Fio de barreira (de difusão) distribuída

Barreira de Ta

Chapter 20 -

LaBaCuO 40 K / -233 ºC

O primeiro:

HgTlBaCaCuO 138 K / -135 ºC

O recorde:

YBaCuO 92 K / -181 ºC

O mais estudado:

Óxidos de Cobre com metais de transição e terras raras

Bednorz e Müller

Óxidos Supercondutores – descobertos em 1986Supercondutores de Alta Temperatura Crítica

Chapter 20 -

Estruturas

21

La2CuO4

YBaCuO

Chapter 20 -

MgB2 – descoberto em 2001

Bc2fio 16 T

Nanotechnology and Nanomaterials » "Electronic Properties of Carbon Nanotubes", book edited by Jose

Mauricio Marulanda, ISBN 978-953-307-499-3, Published: July 27, 2011 under CC BY-NC-SA 3.0

license

Tc= 39 K

Nagamatsu J, et al., Nature 410 63

Chapter 20 -

Oxi-Pinictídeo – descoberto em 2008Supercondutores de alto campo

LaFeAsO0.89F0.11 – Tc 26K

CeFeAsO0.84 F0.16 - Tc 41K

SmFeAsO0.9F0.1 - Tc 43K

NdFeAsO0.89F0.11 e PrFeAsO0.89F0.11: Tc 52K

Tc= 26 K La[O1-xFx]FeAs com (x=0.05-0.12)

Kamihara, Y., et al., J. Am. Chem. Soc. 130 (2008).

Bc2 35 T

pnictogen = nitrogen family N, P, As, Sb, Bi

Chapter 20 -

Estruturas Cristalinas

Oxi-Pinictídeo

24

Chapter 20 -

Evolução de Tc

1910 1930 1950 1970 1990

20

40

60

80

100

120

140

160

Tem

pera

tura

de t

ran

siç

ão

su

perc

on

du

tora

(K

)

HgPb NbNbC NbN

V3Si

Nb3Sn Nb3Ge

(LaBa)CuO

YBa2Cu3O7

BiCaSrCuO

TlBaCaCuO

HgBa2Ca2Cu3O9

HgBa2Ca2Cu3O9

(sob pressão)

Temperatura do

Nitrogênio Líquido

(77K)

Chapter 20 -

Evolução de Jc - sem cobre

Chapter 20 -

Aplicações usando Supercondutores

Slides de Randolph Miller

Google: superconductors final 23May2011

Chapter 20 -

Levitação

• Um ímã pode levitar, acima, abaixo, ou para o lado de

um supercondutor

(Saito 3)

Chapter 20 -

Maglevs

•Maglevs são trens levitados magneticamente.

•Na figura é mostrado um Maglev MLX01, um trem de teste capaz

de atingir a velocidade de 581 km/h.

http://www.n-sharyo.co.jp/business/tetsudo_e/pages/maglev.htm

TGV: 320 km/h

(max 574.8 km/h)

http://www.istec.or.jp/istec-animation/SF-train-

2012.html

Chapter 20 -

Maglevs

http://www.dvorak.org/blog/2007/06/01/superconducting-mystery-solved/

É mostrado um veículo de levitação magnética no final de um

trilho. Observe os eletroímas visíveis debaixo de cada lado do trilho.

Chapter 20 -

SQUIDSQUID = “Superconducting Quantum Interference Device”

• SQUIDs baseiam-se no princípio de que os supercondutores

deixam o campo magnético penetrar apenas em determinadas

quantidades

• Detector extremamente sensível de campos magnéticos

http://www.learner.org/courses/physics/unit/text.html?unit=8&secNum=5

Chapter 20 -

MEG - MagnetoEncefaloGrafia

http://www.lanl.gov/quarterly/q_spring03/meg_helmet_m

easurements.shtml

http://www.hbci.com/~wenonah/hudson/in

dex.html

Muitos SQUIDs (122 no exemplo mostrado)

são utilizados para medir a atividade cerebral

Chapter 20 -

MEG

http://www.unitn.it/en/cimec/10906/m

agnetoencephalography-labhttp://www.kumc.edu/hoglund/posters/brooks.htm

l

http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetoencephalography

São necessários 50.000

neurônios disparando para se ter

um sinal detectável.

Corrente

elétrica

Campo

magnético Corrente

Intracelular

(dendrita)

Modelo de campo

magnético

Fonte de campo

Imagens de localização

Chapter 20 -

MRI - Magnetic Resonance Imaging

MRI é o maior mercado para

supercondutores

Bobina de

radio

frequência

http://www.fightmesotheliomacancer.com/mri.html

http://www.conectus.org/technology.html

Corte do MRI

Mesa do

paciente

Paciente

MagnetoMagneto

Bobinas de

gradiente

Chapter 20 -

Large Hadron ColliderMagnetos são usados para direcionar os feixes ao redor do

acelerador.

- 1.232 magnetos bipolares de 15 metros de comprimento que

dobram o feixe;

- 392 magnetos quadrupolares de 5-7 metros de comprimento

cada um, que se encarregam de concentrar (colimar) o feixe.

- Pouco antes da colisão, um outro tipo de ímã é usado para

"espremer" as partículas (mais juntas) e assim aumentar as

chances de colisões.

As partículas são tão pequenas que a tarefa de fazê-los

colidir é semelhante a disparar duas agulhas distantes de 10 km

com tal precisão que elas se encontrem no meio do caminho.

Chapter 20 -

LHC: Acelerador de partículas

O LHC tem um tubo de 27 km de circunferência, com ímãs

supercondutores distribuídos de diversas maneiras, com o objetivo

de acelerar partículas carregadas a velocidades relativisticas.

1200 toneladas de cabos supercondutores de NbTi que trabalham

a 1.9 K para criar campos de até 8.3 T.

http://home.web.cern.ch/topics/large-hadron-collider

Chapter 20 -

Detectores

•Detector ATLAS no LHC tem 8 ímãs, cada um com 100

toneladas de supercondutor

•Medidas de energia e momento de partículas carregadas

•Armazenagem de 1,6 GJ

http://cdsweb.cern.ch/record/910381

Chapter 20 -

Motores

•Ele poderia ser usado para a propulsão de navios da Marinha.

•Faria navios da Marinha mais eficiente em consumo de combustível e

liberaria espaço valioso.

http://www.amsc.com/products/motorsgenerators/shipPropulsion.html

http://www.superconductorweek.com/free-content-photo-gallery

Motor de cobre

Motor de

superconductor

Alta temperature crítica

Motores elétricos com supercondutores

são mais eficientes, mais leves, menores

e mais silenciosos.

Chapter 20 -

Transmissão de energia

• Os cabos supercondutores transportam 150 vezes mais eletricidade

do que cabos de cobre de mesmo tamanho.

•Eles podem transportar até 574 MW.

•Este é Holbrook, Long Island.

•Está em funcionamento desde 22 de abril de 2008.

http://www.amsc.com/products/htswire/LIPAHTSCableProjectBrief.html

http://www.superconductorweek.com/free-content-photo-gallery

YBCO

Cu

Chapter 20 -

Confinamento de Plasma

http://blogs.knoxnews.com/munger/2010/01/fields_for_fu

sion.htmlhttp://homepages.spa.umn.edu/~llrw/a1001/toka

mak.html

•Plasma quente tem que ser contido por um campo

magnético.

•É mostrado um reator de fusão do tipo Tokamak.