Universidade Federal Fluminense Instituto de Fsica Disciplina Panoramas

Universidade Federal Fluminense Instituto de Física Disciplina Panoramas da Física Origens do magnetismo e aplicações Daniel Leandro Rocco Niterói, 05 de Junho de 2013

Estrutura da Apresentação Origem do magnetismo na matéria ● Momento Magnético Orbital ● Momento Magnético de Spin Tipos de Magnetismo e Aplicações ● Diamagnetismo – ● ● Levitação magnética Paramagnetismo Ferromagnetismo – Efeito magnetocalórico – Imã Permanente – Gravação magnética

Magnetismo na Matéria Origem do magnetismo ● Quem é o principal responsável pelo magnetismo? – Átomos – Moléculas – Elétrons – Prótons – Nêutrons Indução Magnética B (Tesla)

Magnetismo na Matéria Momento Magnético Orbital ● De que forma? Momento de dipolo Magnético Momento angular h = 6, 626 x 10 -34 J. s

Magnetismo na Matéria Momento Magnético de Spin ● Experimento de Stern-Gerlach (1922) – Prêmio Nobel (1943) – Usaram a prata, neutra e L = 0

Magnetismo na Matéria Momento Magnético Orbital e de Spin Momento magnético total Magnetização (ou polarização) do material Elétrons átomo

Magnetismo na Matéria Momento magnético dos prótons Os prótons magnético? têm momento mprotóns > me ~ 2000 vezes

Tipos de Magnetismo Os diferentes materiais magnéticos surgem devido a diferença na resposta da magnetização a estímulos externos ● Diamagnéticos ● Paramagnéticos ● Ferromagnéticos ● E outros. .

Tipos de Magnetismo Diamagnetismo (supercondutor – diamagnético perfeito) M x Campo Magnético M x Temperatura

Aplicações Diamagnéticos Levitação Magnética Supercontutora ● Efeito Meissner Vídeo

Fios supercondutores Alta densidade de corrente J = I / A J ~ 0, 5 k. A / cm 2 J ~ 20 k. A / cm 2

Fios supercondutores ● Diamagnetismo – Levitação magnética

Trabalho na UFF Fabricação do Y-Ba-Cu-O (método de reação do estado sólido)

Tipos de Magnetismo Ferromagnetismo M x Campo Magnético M x Temperatura

Aplicação dos Ferromagnetos Imã permanente ● Anisotropia Magnetocristalina Formação de Domínios Magnéticos Imã permanente Após a Retirada do Campo magnético há duas possibilidades:

Tipos de Magnetismo Paramagnéticos M x Campo Magnético M x Temperatura

Aplicação dos Ferromagnetos Efeito Magnetocalórico M

O Efeito Magnetocalórico (EMC) O EMC corresponde a variação de temperatura de um corpo quando este sofre uma variação na sua magnetização (M)

O Efeito Magnetocalórico (EMC) M diminui (desordem dos spins), refletindo em uma queda da temperatura do corpo.

Ciclo da Refrigeração Magnética e Convencional

Parâmetros de RM (P = 1000 W) Frequência de operação máxima: 100 Hz (condut. térmica) 0, 5 Kg de Material Magnético (~ 100 cm 3) ~ 1 Kg de Nd-Fe-B (1, 8 vezes ~ 180 cm 3)

Trabalho na UFF Preparação de alguns dos materias magnéticos promissores para a refrigeração magnética. ● ● La(Fe, Si)13 Mn. Fe. As

Tipos de Magnetismo Ferromagnetismo M x Campo Magnético M x Temperatura

Magnetoresistência Gigante Magnetoresistência (1988) – Variação de R mediante a aplicação de H Prêmio Nobel de 2007 – Albert Fert, 68 anos (França) e Peter Grumberg, 69 anos (Alemanha). Mário N. Baibich, Prof. UFRS. Pósdoutorado em Paris. Phys. Rev. Lett. (1988) (4392 citações)

Materiais Magnetoresistivos

Aplicação dos Ferromagnetos Gravação Magnética

Trabalho na UFF Cabeça de leitura de discos rígidos. Aumenta enormemente armazenamento de dados. a capacidade de Espessura da camada: 9 a 30 A (10 -10 m) – Dimensões nanométricas.

Nanopartículas de Manganitas

Efeitos da baixa dimensionalidade: Monodomínos Amostras ferromagnéticas são divididos pequenas regiões. (Domínios magnéticos) Diâmetro crítico: a partícula é monodomío. Co (dcr = 55, 5 nm) Fe. Pt (dcr = 340 nm) Domínio magnético do tamanho da partícula: Superparamagnetismo em

Efeitos da baixa dimensionalidade: Superfície Partícula de Co com 1, 6 nm (~200 átomos), possui superfície com 60 % dos átomos. Número de coordenação reduzido; ruptura dos acoplamentos de troca.

Laboratório Experimental de Física do Estado Sólido e Novos Materiais Integrantes Dalber Candela Daniel Rocco Dante Franceschini Mario Reis Jr. Renato Guimaraes Stephan Soriano Wallace Nunes Yutao Xing

Universidade Federal Fluminense Instituto de Física rocco@if. uff. br Obrigado a Todos

Trabalho na UFF Preparação de materias magnetos duro do tipo Nd. Fe 4 B. ● ● ● YCo 4 -x. Nix. B La. Co 4 -x. Nix. B Lu. Co 4 -x. Nix. B F. Grandjean, et al, J. Phys. Condens. Matter 21 (2009)

Estrutura da Apresentação Origem do magnetismo na matéria ● Diamagnetismo – Levitação magnética

O Efeito Magnetocalórico (EMC) Foi descoberto em 1881 pelo físico alemão Emil Warburg. Nos anos 30 W. F. Giauque (americano – Berkeley) conseguiu atingir temperaturas menores que 1 K por meio do EMC. (Prêmio Nobel de química 1949) Por muito tempo utilizou-se materiais com essas propriedades apenas em temperaturas criogênicas. Karl Gschneidner e Vitilij K. Pecharsky mostrando EMC do Gd-Ge-Si em torno da temperatura ambiente. Phys. Rev. Lett. (1997)

Equipamentos Utilizados na determinação do EMC PPMS (Physical Properties Measurement System)

Vantagens da Refrigeração magnética Principal vantagem é o não uso dos gases CFC´s ou HFC´s, o que torna esta tecnologia limpa e não agressora ao meio ambiente. Os protótipos mostram uma maior eficiência energética. Tecnologia menos ruidosa Mais compactos

Preparação do La(Fe, Si)13 i– Fusão em forno a ii – Tratamento térmico das ligas em tubo de quartzo. iii – Moagem manual com tamanho de grão de: a) < 20 m, < 50 m e < 70 m. iv – Compactação do material com pressões de: a) 0. 5, 1 e 2 ton/cm 2. v – Tratamento térmico do material compactado variando tempos e temperatura de tratamento térmico. Processo patenteável

Patentes equivalentes 1) Kobayashi et al; Magnetic material, 2004 – Japão (La. Fe-Si com outras terras-raras) 2) Fukamichi, et al. ; Magnetic material for magnetic refrigeration and. . 2006 – Japão (La-Fe-Si-H e processo de preparação de esferas) 3) Gschneidner, Jr. , et al. ; Active magnetic refrigerants based on Gd-Si-Ge …, 1998 – USA (Gd-Ge-Si) 4) Pecharsky, et al. ; 2006, USA (Regenerador com esfera de Gd)

Caracterização das amostras de La(Fe, Si)13 i – Análise metalográfica. ii – Raios-X com refinamento Rietveld com os programas powder cell e DBWS. iii – Análises magnéticas das amostras utilizando um magnetômetro tipo squid ou PPMS (Unicamp) e VSM (Universidade de Aveiro). iv – Análises utilizando a técnica de dicroísmo circular magnético (XMCD) disponível na linha DXAS do laboratório nacional de luz sincrotron (LNLS).

Caracterização das amostras de La(Fe, Si)13 i – Análise metalográfica. ii – Raios-X com refinamento Rietveld. iii – Análises magnéticas das amostras utilizando um magnetômetro tipo squid ou PPMS (Unicamp). iv – Análises utilizando a técnica de dicroísmo circular magnético (XMCD) disponível na linha DXAS do laboratório nacional de luz sincrotron (LNLS).

Caracterização das amostras de La(Fe, Si)13 i – Análise metalográfica. ii – Raios-X com refinamento Rietveld. iii – Análises magnéticas das amostras utilizando um magnetômetro tipo Squid ou PPMS. iv – Análises utilizando a técnica de dicroísmo circular magnético (XMCD) disponível na linha DXAS do laboratório nacional de luz sincrotron (LNLS).

Caracterização das amostras de La(Fe, Si)13 i – Análise metalográfica. ii – Raios-X com refinamento Rietveld. iii – Análises magnéticas das amostras utilizando um magnetômetro tipo squid ou PPMS (Unicamp). iv – Análises utilizando a técnica de dicroísmo circular magnético (XMCD) disponível na linha DXAS do laboratório nacional de luz sincrotron (LNLS).

Manganitas (estudo fundamental) São materiais baratos Apresentam magnetoresistência colossal, prevenindo, assim, aquecimento por corrente de indução. São óxidos, o que evita reação com o ar e água. Processo de fabricação é bem estabelecido.

Magnetoresistência Gigante Magnetoresistência (1988) – Variação da resistência mediante a aplicação de um campo magnético. Prêmio Nobel de 2007 – Albert Fert, 68 anos (França) e Peter Grumberg, 69 anos (Alemanha). Mário N. Baibich, Prof. UFRS. Pós-doutorado em Paris. Phys. Rev. Lett. (1988) (4392 citações)

Método Sol-Gel (Pechini) • Dissolver os óxidos e carbonatos em solução de ácido nítrico e cítrico. • Adição de Etileno Glicol • Secagem do “Gel” 400 ºC por 4 horas • Moagem manual; prensagem • Calcinação a 600 ºC por 5 horas • Moagem manual; prensagem • Calcinação a 800 ºC por 5 horas • Moagem manual; prensagem • Sinterização a 1200 ºC por 24 horas Tempo Total = 2, 3 dias

Nanopartículas de Manganitas

Cerâmicas manganitas São compostos baseados em Mn. O cuja estrutura é do tipo perovskita: ABO 3 (A = Terra rara e/ou alcalinoterroso e B = Manganês) (Tr 1 -x. Mx)Mn. O 3

Estrutura das Manganitas A inclusão de átomos de diferentes tamanhos no sítio A (Tr e M) causa uma deformação na estrutura que pode ser quantificada pelo fator de tolerância Ortorrômbica Romboédrica

Sistemas com x fixo (Tr 0, 6 M 0, 4 Mn. O 3) Variação da temperatura crítica em função de ra e t Amostras estudadas: Pr 0, 6 Ca 0, 4 Mn. O 3 Sm 0, 6 Sr 0, 4 Mn. O 3 La 0, 6 Ca 0, 4 Mn. O 3 Nd 0, 6 Sr 0, 4 Mn. O 3 Pr 0, 6 Sr 0, 4 Mn. O 3 La 0, 6 Sr 0, 4 Mn. O 3 Diminuindo ra , a estrutura torna-se mais distorcida diminuindo, portanto, o salto (hopping) dos e- entre os Mn’s

EMC em função de ra e t Aumento do EMC com a diminuição do raio iônico e do fator de tolerância

Efeitos da baixa dimensionalidade: Monodomínos Amostras ferromagnéticas são divididos pequenas regiões. (Domínios magnéticos) Diâmetro crítico: a partícula é monodomío. Co (dcr = 55, 5 nm) Fe. Pt (dcr = 340 nm) Domínio magnético do tamanho da partícula: Superparamagnetismo em

Efeitos da baixa dimensionalidade: Superfície Partícula de Co com 1, 6 nm (~200 átomos), possui superfície com 60 % dos átomos. Número de coordenação reduzido; ruptura dos acoplamentos de troca.

O pós-graduação Fornos de preparação (~ R$ 50. 000, 00) Equipamentos de caracterização ( ~ R$ 500. 000) As Responsabilidades após contratação • Lecionar • Fazer Pesquisa • Montar sua infraestrutura Preparação de Materiais • Facilidade em colaborações (supercondutores – cupratos) • Facilidade em realizar pesquisa • Acesso ao LNLS

Fim Obrigado!

EMC Colossal A. Campos, D. L. Rocco et al, Nature Materials 5, 802, 2006. ( S) = -Rln(2 J+1) La. Ce(Fe, Si) : Li S. et al , submetido ao Journal Applied Physics

Valência mista do Manganês Valência do Mn depende de x: Tr – Valência 3+ M – Valência 2+ x 0. 5 - Mn 4+ buracos x 0. 5 - Mn 3+ elétrons Mn 3+ eff = 4, 9 B Mn 4+ eff = 3, 8 B Distribuição dos elétrons do Mn 3+ nos orbitais degenerados eg e teg

Dupla Troca Devido à mistura de valências. A dupla troca acontece apenas quando os spins dos Mn’s estão acoplados ferromagneticamente Se os spins estiverem com acoplamento antiferro.

Estrutura da Apresentação Origem do magnetismo na matéria ● Diamagnetismo – Levitação magnética