Capítulo 1 FENOMENOLOGIA DA SUPERCONDUTIVIDADE
1.5 Supercondutores Cerâmicos Policristalinos
A maioria das aplicações práticas de um HTS requer materiais que transportem altas densidades de corrente. A densidade de corrente crítica é uma grandeza extrínseca, controlada por fatores como microestrutura, tipos de defeitos e suas distribuições. Em muitas situações a introdução de defeitos de maneira bem controlada é desejável, pois pode aumentar a densidade de corrente crítica.
Um defeito é eficiente quando consegue ancorar um ou mais quanta de fluxo magnético, evitando seu movimento viscoso e a consequente dissipação de energia, sem degradar as propriedades supercondutoras da amostra. Isso ocorre quando o supercondutor
apresenta um comprimento de coerência ξ menor ou com a mesma ordem de grandeza das
É usual descrever um dois subsistemas, um form fracos de ligação existente propriedades de transporte de grãos supercondutores in ligação, os WLs, que não solicitamos o transporte de e/ou temperatura são reque supercondutora localizada como um conjunto de grão pelos contornos de grãos, reagido durante a síntese o uma barreira, limitando a ilustração de uma amostra p e também os WLs, para um
Figura 15: Ilustração de uma em (A). Micrografia de uma Trata-se da amostra d
A contribuição intra os processos dissipativos sã contexto, os defeitos, que desempenham papel funda evitando esse movimento.
(A)
uma amostra policristalina de um HTS como u rmado pelos grãos supercondutores e outro f ntes entre os mesmos, que exercem grande i te elétrico. Podemos imaginar esse policristal incrustados em uma matriz intergranular, com o exibe necessariamente propriedades superco de altas densidades de corrente, ou condições e
ueridas, cria-se uma descontinuidade na fase a na região dos WLs, fazendo com que a am rãos independentes. Essas regiões intergranula
s, por possíveis fases secundárias decorrente ou por variações estequiométricas de oxigênio a densidade de corrente crítica. A Figura
a policristalina, assim como um micrografia qu ma pastilha sinterizada de YBCO.
a amostra policristalina indicando os subsistemas a pastilha de YBCO, sinterizada a 950°C, mostran a denominada Amostra 4, estudada na seção 3.4 des
tragranular está associada ao material que com são determinados pelo movimento viscoso do ue podem ser de estequiometria de oxigênio
damental, pois atuam como centros aprisiona to. Cabe ressaltar que devido à alta sensibi
(B)
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o uma composição de formado pelos elos influência sobre as al como uma coleção mposta pelos elos de rcondutoras. Quando s extremas de campo e da função de onda amostra se comporte ulares são compostas ntes de material não nio, que atuam como a 15 apresenta uma que mostra os grãos,
s inter e intragranular ando os WLs em (B). deste trabalho.
mpõe os grãos, onde dos fluxóides. Nesse io para os cupratos, nadores de vórtices, ibilidade ao teor de
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oxigênio dessa classe de materiais, um monocristal pode apresentar respostas magnéticas que se assemelham às de um policristal ordinário.
Tendo em vista a dificuldade de fabricar monocristais de grandes dimensões e a impossibilidade de aplicações de transporte elétrico apenas levando em conta as características intragranulares, esforços têm sido concentrados em obter amostras policristalinas com as melhores propriedades supercondutoras possíveis, otimizando as contribuições intergranulares, utilizando rotas de preparo que resultem em amostras com WLs fortes e com uma distribuição estreita de correntes críticas intergranulares. Quando empregamos um supercondutor policristalino no transporte de corrente elétrica, esperamos que este apresente WLs fortes, com maior Jc possível, sem uma relação direta com a
largura da distribuição de correntes críticas intergranulares. Por outro lado, quando visamos o uso de supercondutores policristalinos para o estudo de efeitos diretamente relacionado com características dos WLs, necessitamos que a amostra apresente uma densidade estreita de correntes críticas intergranulares, ou seja, que todos os WLs sejam parecidos uns com os outros. Dessa maneira podemos montar um diagrama de fases H x T, com uma linha Hcwl(T) bem definida, que delimitará a região acima da qual a densidade de
supercorrentes intergranulares torna-se nula, ou seja, para cada valor de campo existirá uma temperatura, Tcwl, que delimitará essa fronteira. Quanto mais estreita a distribuição de
correntes críticas, mais bem definida será essa fronteira, de modo que é impossível
determinar uma linha bem definida Hcwl(T) de uma amostra que apresente uma distribuição
larga de correntes críticas intergranulares.
O Efeito Meissner Paramagnético (do inglês Paramagnetic Meissner Efect, PME), também conhecido como Efeito Wohlleben, é uma das características de amostras que apresentam distribuição estreita de correntes criticas intergranulares.[21] Esse efeito é
evidenciado em medidas M x T para campos magnéticos baixos, como a apresentada na Figura 16.
Uma característica associada a esse efeito é a resposta reentrante da magnetização, obtida em um procedimento FC, justificada pela competição entre as respostas positiva (fluxo retido no material intergranular) e negativa (diamagnetismo ordinário dos grãos)[22],
dando a impressão de um comportamento paramagnético à amostra†.
Outra assinatura dessa classe de amostras é a ocorrência de uma dupla transição que pode ser identificada nas medidas das propriedades magnéticas: uma das componentes da
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resposta magnética refere-se à contribuição intergranular e desaparece quando os WLs deixam de transportar supercorrentes, acima da temperatura Tcwl, sempre menor que Tc
genuíno do material.
Figura 16: Medidas M x T em campo remanente, mostrando a resposta reentrante de amostras granulares que apresentam o PME[23,24].
A Figura 17 mostra uma medida de ac x h, correspondente ao patamar da transição
associada a matriz intergranular de uma amostra de YBCO, da qual, podemos obter os parâmetros hp, fg, necessários para simulação teórica de curvas desse tipo. Cabe aqui
ressaltar que o parâmetro fg, a fração granular, é usado nos casos em que a amostra em
questão é estruturalmente formada de grãos supercondutores, com alto Hc1, distribuídos de
maneira aleatória numa matriz normal, ou com caráter supercondutor, porém fracamente acoplada. É o parâmetro fg que determinará o quão relevante é a contribuição intergranular
na suscetibilidade total da amostra, conforme descreve a Equação (84).
H F
bcb cb H (84)
Para que a Equação (84) seja completamente válida, é necessário que a amplitude
do campo excitador seja menor que o valor de Hc1 dos grãos, ou seja, os grãos devem estar
no estado Meissner. Sendo assim, podemos reescrever essa mesma equação, com ’g = -1,
conforme a Equação (85),
F c
b cb H (85)
onde ’g e ’m são as suscetibilidades complexas dos grãos e da matriz intergranular.
A componente imaginária da suscetibilidade-ac de uma amostra no estado Meissner é sempre nula e sendo assim, a partir da Equação (84), encontramos a Equação (86), que relaciona ” com a fração granular da amostra.
3D-DJJA - Nb 3D-DJJA - YBCO T (K) M ( 10 -6 e m u) 3D-DJJA - Nb 3D-DJJA - YBCO T (K) M ( 10 -6 e m u)
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HH cb HH (86)
Figura 17: Medida de ac x h, correspondente à contribuição intergranular de uma amostra de YBCO.
O parâmetro p é inversamente proporcional à largura do pico em ’’, ou seja, quanto mais estreita for a transição supercondutora, maior será o valor de p. Neste caso, quanto menor for o intervalo de campos h em que ocorre a passagem do estado Meissner,
’ = -1, para o patamar ’ = -fg, mais estreita será considerada a transição supercondutora, e
também, mais fino será o pico da componente ’’.
Medindo isotermas de magnetização em amostras com distribuição estreita de correntes críticas intergranulares, verificamos o aparecimento de dois mínimos locais. Usualmente os mínimos nesse tipo de medidas são associados a hp. Sendo assim, o
primeiro mínimo de magnetização, que ocorre em regime de baixos campos, é associado à penetração da matriz intergranular e o segundo mínimo, em campos moderados, corresponde à penetração do campo nos grãos. É importante notar que o mínimo local referente ao regime intergranular só ocorre em amostras que apresentam uma distribuição estreita de corrente crítica intergranular, ou seja, todos os WLs devem ser capazes de transportar densidades de corrente crítica parecidas.
Os fenômenos acima citados, o PME, a dupla transição e os dois mínimos nas
medidas de M x H só ocorrem em temperaturas menores que Tcwl, a temperatura crítica dos
WLs, acima da qual a densidade de corrente crítica intergranular se anula. Analisando medidas de suscetibilidade-ac em função da temperatura, ac x T, Tcwl é definida pela
primeira temperatura acima da qual a componente ’ da suscetibilidade-ac, para diferentes campos de excitação h, se sobrepõem, como mostra a Figura 18.
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 10 1 0,1 S u s c e ti b ili d a d e -a c ( S .I .) h (Oe) T = 82 K H = rem f = 1 kHz χ' χ'' (1-fg) 1/p hp 0,01
54 Figura 18: Medidas de ac x T, de uma amostra de YBCO preparada por rota química, que
apresenta uma distribuição estreita de corrente crítica.
O reconhecimento de Tcwl como sendo a temperatura que determina a fronteira na
qual as supercorrentes intergranulares deixam de existir leva em consideração a natureza das medidas de suscetibilidade-ac, pois a componente χ’ carrega consigo informações referentes à parcela indutiva, relacionada às correntes de blindagem. É sabido que o material intragranular apresenta melhores propriedades supercondutoras que o material intergranular, ou seja, suporta uma densidade de corrente crítica mais elevada. O fato de que acima da temperatura Tcwl a componente χ’ da suscetibilidade-ac não depende da
amplitude do campo de excitação h, deixa evidente que nestas condições apenas o material intragranular está sendo percorrido pelas correntes de blindagem.
Analisando esse tipo de medidas com mais cuidado, podemos inferir informações qualitativas acerca da largura da transição supercondutora intergranular, como mostrado na Figura 19, que apresenta a componente ’ de uma amostra de YBCO produzida pela técnica de Reação em Estado Sólido com transição intergranular larga. Note que as curvas obtidas para diferentes valores de campos de excitação possuem diferentes Tcwl, ou seja,
para cada incremento de densidade de corrente crítica solicitado para blindar o campo de excitação, uma porção de WLs perde a capacidade de transportar supercorrentes. Neste caso, é impossível representar uma linha em um diagrama de fases magnéticas correspondente ao limiar de transporte de supercorrentes pelos WLs, pois a amostra apresenta várias classes de WLs, cada uma com Tcwl diferente da outra.
0 20 40 60 80 100 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 78 80 82 84 86 88 90 92 -2,5 -2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 Tc = 91,5 K S us ce tib ili da d e- a c (1 0 -3 e m u/ g ) Temperature (K) Tcwl = 83 K H = 100 Oe f = 100 Hz h = 0,1 Oe h = 0,5 Oe h = 1,5 Oe h = 3,8 Oe S u s c e ti b ili d a d e -a c ( 1 0 -2 e m u /g ) Temperature (K)
55 Figura 19: Medidas de ac x T, em campo remanente, para uma amostra de YBCO produzida pelo
método RES, apresentando uma larga transição supercondutora intergranular.