A maioria de nós prefere olhar para fora e não para dentro de se próprio e A mente que se abre a uma nova idéia jamais voltará ao seu tamanho original
Albert Einstein
A supercondutividade confundiu algumas das melhores mentes do século XX e foi finalmente entendida através da teoria microscópica que em 1957 rendeu o Premio Nobel a John Bardeen, Léon Cooper, e Robert Schrieffer. No início de 1960 houve muitas aplicações da supercondutividade que incluíram ímãs para imagens em medicina (RMN-1H) e físicas de alta-energia, cavidades de rádio-freqüência e componentes para uma variedade de aplicações e dispositivos de interferência quântica para magnetômetros e circuitos digitais. Estes últimos dispositivos são baseados no efeito Josephson, trabalho pelo qual B. D. Josephson foi reconhecido com o Prêmio Nobel em 1973.
Em 1986, o sonho de muitos cientistas foi realizado com a descoberta dos supercondutores de alta temperatura um ano depois, esses materiais já mostravam transição normal – supercondutor acima da temperatura do nitrogênio líquido. A descoberta revolucionária desta classe de supercondutores (o cuprates) deu a Georg Bednorz e Alex Muller o Prêmio Nobel em 1987.
A razão e o racionalismo conduzem a Física na busca pela previsibilidade dos fenômenos naturais pelo estabelecimento das regras (gerais ou particulares) capazes dessa previsão e que permitam, ao mesmo tempo, a condição de seu entendimento.
A Física abrange uma ampla gama de campos as quais foram adicionadas no transcurso de longos anos e contando em muitas delas com grandes expoentes com o surgimento destas. Newton na mecânica clássica, Maxwell e suas grandes contribuições na teoria da eletrodinâmica, Schrodinger e Dirac contribuindo ao engrandecimento da mecânica quântica, Einstein e a teoria da relatividade, Maiman e o primeiro laser fabricado, Walter Brattain, William Shockley e John Bardeen com o descobrimento do transistor, e outros. Tudo isso deu lugar ao início a uma nova era na evolução científico – tecnológica.
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Um desses campos que chamou muito o interesse dos físicos no século XX foi a liquidificação dos gases. Em 1908, Heike Kamerlingh Onnes conseguiu pela primeira vez coletar Helio líquido (com temperatura de ebulição de 4,22 K) na universidade de Leyden, Holanda. Kamerlingh, tentando estudar a resistividade dos materiais em função da temperatura, encontrou que no mercúrio Hg sua resistência cai abruptamente para zero depois de uma temperatura de 4,2 K (conhecida como temperatura crítica Tc). Este tipo de fenômeno
foi chamado de supercondutividade.
Já no ano 1933 W. Meissner e R. Oschenfeld encontraram experimentalmente que, ao aplicar um campo magnético externo a um supercondutor, se induziam correntes superficiais na amostra tal que o campo no interior desta seja zero.
Estas duas características mencionadas acima, resistividade zero e efeito Meissner (ou expulsão do campo magnético), descrevem as principais propriedades de um material supercondutor.
Em 1973 B. D. Josephson ganhou o prêmio Nobel pela previsão teórica de tunelamento de supercorrentes através de uma barreira [1]; em particular hoje este fenômeno é conhecido como tunelamento Josephson. Um tunelamento Josephson muda o estado supercondutor para resistivo com a aplicação de um campo magnético ou com uma injeção de corrente elétrica através da junção Josephson (JJ).
O par de Cooper*, também chamado de pairon, movimenta-se como bóson livre. A supercorrente macroscópica surge a partir do fato que os -pairons se movimentam com diferentes velocidades. Portanto, o efeito Josephson é manifestado nos -pairons que não interagem entre si, e o movimento destes é realizado como bósons sem perda de massa (da mesma maneira que fazem os fótons).
Na década dos 70 do século passado, logo depois de Josephson propor sua teoria, a IBM pesquisou o efeito Josephson para aplicações na tecnologia dos computadores, desenvolvendo a integração tecnológica baseada em junções com ligações de Pb, tecnologias de circuitos para portas lógicas e memórias [2 - 3].
Em 1983 a IBM anuncia o fim da pesquisa nesta área e do computador Josephson. Isto é devido ao grande avanço que apresentaram os dispositivos baseados em componentes semicondutores frente às JJ’s. Apesar desta decisão da IBM de abandonar o projeto, no Japão continuaram com os esforços com uma nova vitalidade sobre os materiais e a tecnologia de dispositivos baseados nas JJ’s.
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Atualmente existem diversas aplicações importantes de materiais supercondutores na geração, armazenamento e transmissão eficiente de energia. Os chamados S.QU.I.D. (Dispositivo Supercondutor de Interferência Quântica ou Superconducting Quantum Interference Device), são comercializados atualmente por várias empresas. Também outros produtos como cabos supercondutores são comercializados por empresas como American Superconductor. A aplicação de materiais supercondutores também se dá na construção de trens velozes no Japão
[4]
, bem como em computadores super-rápidos.
Objetivo desta tese de doutorado
Este trabalho de pesquisa está centrado no estudo do fenômeno de efeitos quânticos em redes ordenadas de Junções Josephson dos tipos SNS (Supercondutor – Normal – Supercondutor) e SIS (Supercondutor – Isolante – Supercondutor) com composição Nb-CuxAlyOz-Nb - através
da indução de vórtices por conseqüência do tamanho da rede, e da implementação da instrumentação associada a este projeto de pesquisa: sistema de criogenia, sistema de controle de temperatura, fontes de corrente, e outras necessidades envolvidas.
Deste modo, o objetivo fundamental deste projeto foi estudar os efeitos quânticos presentes nas redes de junções Josephson tais como: tunelamento Josephson dc/ac, efeito de proximidade, bloqueio de Coulomb, flutuações quânticas e outras como a transição de fase de Berezinsky-Kosterlitz-Thouless (BKT). Esses objetivos foram alcançados através das medidas das curvas características VI por indução de vórtices ou ativação térmica nessas redes como
conseqüência do tamanho destas.
Metodologia do trabalho
Esta tese foi dividida em oito capítulos a fim de descrever todas as atividades realizadas. No capítulo 2, procurou-se ilustrar a parte teórica relacionada com a supercondutividade das redes de junções Josephson, fenômenos de transporte com ou sem campo magnético aplicado dc.
No capítulo 3 centrou-se a atenção no que se refere à transição de fase de Berezinsky- Kosterlitz-Thouless observada em redes de junções Josephson.
No Capítulo 4 fez-se uma revisão dos principais artigos encontrados referentes a esta pesquisa, especificamente nas diferentes teorias de escalas existentes para definir as
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propriedades de junções Josephson; dessas muitas estão relacionadas com a presença de vórtices ou frustrações neste tipo de amostras.
Portanto, esses três primeiros capítulos podem ser definidos como um primeiro bloco no qual se tenta completar uma revisão da teoria relacionada nesta pesquisa.
No capítulo 5, descreveu-se a parte experimental desenvolvida nesta tese, com respeito à montagem do sistema, a implementação eletrônica, o desenvolvimento e fabricação dos diversos acessórios para o criostato. Também descreveremos os diferentes arranjos experimentais para as medidas propostas, e por último, os softwares produzidos para cada um destes.
Esse capítulo descrito é o segundo bloco, e corresponde à instalação – montagem, e implementação do sistema a fim de atingir os objetivos desta tese.
No capítulo 6, apresentaram-se as 5 amostras com as quais se contou para a realização da pesquisa, duas amostras unshunted do tipo SIS, duas amostras unshunted do tipo SNS e uma
shunted do tipo SNS, mostrando os parâmetros extraídos destas.
Já no capítulo 7, mostraram-se os resultados encontrados das caracterizações de todas as amostras, com e sem campo magnético aplicado dc/ac a diferentes temperaturas, analisando e discutindo os resultados experimentais das curvas VI.
No capítulo 8, apresentaram-se as conclusões desta pesquisa assim como as perspectivas desta linha de investigação.
Esses três últimos capítulos constituem o terceiro bloco e é o mais representativo de todo o desenvolvido neste percorrer do doutorado, mostrando o desempenho tanto do sistema montado, da implementação (software – eletrônica e mecânica) feita, os efeitos estudados nos dispositivos de redes de junções Josephson mostrando que o realizado, atingiu as perspectivas e objetivos deste projeto de doutorado.
Por último, no anexo mostrou-se os trabalhos (congressos e artigos em jornais indexados) desenvolvidos no percorrer deste doutorado no Grupo de Materiais e Dispositivos – GMD, ao lado do professor Dr. Fernando M. Araújo-Moreira.
Na Figura 1.1 é mostrado o organograma, no qual está esquematizada estrategicamente o realizado neste trabalho de pesquisa tal como foi executado durante o seu desenvolvimento.
34 Figura 1.1: Planejamento deste projeto de doutorado.
D es en vol vi m ent o de pr ogr am as : A ut om açã o/ Proc es so/ Si m ul ação Montagem da estação experimental Desenho e fabricação do MFP-Chaveador Desenho e fabricação da tampa do criostato
e acessórios.
Implementação das varetas para as conexões elétricas: externas/internas Simulação, desenho e fabricação do sistema de bobinas Desenho e fabricação da fonte de corrente de ±12 V / +12 e – 3 A Campo magnético aplicado sobre as amostras Defeitos Topológicos Transição de Fase Berezinsky- Kosterlitz-Thouless Vórtices e anti- vórtices Equações de Josephson dc/ac
Modelo RSCJ Fluxons
Vórtices / Vórtices Josephson Dependência com campo magnético e a temperatura e os efeitos de tamanho Redes de Junções Josephson RJJ’s em 2D e 3D Quântica Termodinâmico Estatístico Experimental
Estudo de Efeitos Quânticos em Redes de Junções Josephson SNS e SIS com Composição Nb-CuxAlyOz-Nb através da Indução
de Vórtices por Conseqüência do Tamanho de Rede
Conclusões
Análises dos efeitos quânticos nas RJJ’s 2D por conseqüência do
tamanho de rede Cálculo dos parâmetros
das redes Caracterização estrutural - MEV
ac Curvas VI :
Sem campo magnético aplicado Com campo magnético aplicado dc/ac Disposição das RJJ’s shunted-SIS,
unshunted-SIS e unshunted-SNS de baixa temperatura
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