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

Superconductividade como Propriedade Magnética

normal superconductor

Efeito Meissner

=

Diamagnetismo

Perfeito

Supercondutor expele o campo magnético do seu interior

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

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)

Fe Tc=1K

(p=20GPa)

Bons condutores não são supercondutores

Nb (Nióbio)

Tc= 9K Tc mais alto Supercondutor sob pressão

Fe

Os elementos supercondutores

Os supercondutores mais usados - ~1960

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

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 - 1986 Supercondutores de Alta Temperatura

MgB2 - 2001 Tc= 39 K

Nagamatsu J, et al., Nature 410 63

Bc2fio 16 T

•

Oxi-Pictinídeos – 2008 Supercondutores 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

Evolução de Tc

1910 1930 1950 1970 1990

20

40

60

80

100

120

140

160

Te

mp

era

tura

de t

ran

siç

ão

su

perc

on

du

tora

(K

)

Hg Pb Nb NbC NbN

V3Si

Nb3Sn Nb3Ge

(LaBa)CuO

YBa2Cu3O7

BiCaSrCuO

TlBaCaCuO

HgBa2Ca2Cu3O9

HgBa2Ca2Cu3O9

(sob pressão)

Temperatura do

Nitrogênio Líquido

(77K)

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

BCS prevê Tc 30-40K Para 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

Comportamento - Tipos de Supercondutores

Tipo I Tipo II

2c1c HHH

Tipo I M = - H para H < Hc

M = 0 para H > Hc

Tipo II M = - H para H < Hc1

M = M(H) para Hc1 < H < Hc2 M = 0 para H > Hc2

Estado Misto

Importante para densidade de corrente crítica Jc

Chapter 20 - 15

Supercondutores tipo II VÓRTICES

0.1 micron = 1 x 10-4 mm

Supercondutor tipo II

Vórtices

Corrente

Aplicações

Médica: imagem por ressonância magnética

Eletrônica: SQUIDs, limitadores de corrente, magnetos para pesquisa, aceleradores de partículas e sensores.

Chapter 20 - 17

Separação magnética de minérios, blindagem magnética,

trem levitado (Maglev)

Protótipo de limitador de corrente, que combina uma bobina com um supercondutor; começa a redirecionar a corrente dentro de 4 milisegundos da perturbação.

INDUSTRIAL