HTCS-01
II. A Dinâmica do Método Científico: o exemploda supercondutividade de alta temperatura
Supercondutividade convencional: 1) Resistência nula
Metal normal
HTCS-02
2) Efeito Meissner
Campo magnético não entra na amostra Levitação magnética
HTCS-03
Aplicações tecnológicas no dia-a-dia?
T (°C)0
gelo
-250-269
4He
-200
N2
SUC’s convencionais
-150
SUC’s de alta temperatura
$
HTCS-04
O diagrama de fases de um supercondutor de alta Tc
HTCS-05
Diferenças fundamentais entre os SUC’s:
•alta Tc
•estado normal metálico ou isolante (dep de x)
•proximidade de uma fase magnética
HTCS-06
Estrutura cristalina:
HTCS-07
Cálculos de bandas: caso não-dopado (x = 0):
Metal ????
Incluindo correlação, ocomportamento isolante(correto!) é obtido
HTCS-08
Ordenamento antiferromagnético: planos de CuO2
Cu
O
HTCS-09
Descrição simplificada do isolante antiferromagnético dopado
Favorece o salto do buraco entre sítios
Repulsão Coulombiana: a energia total aumenta se 2 e’s ocuparem o mesmo orbital termo de correlação(Modelo de Hubbard)
i
iiji
nnUijjitH,
sítios de Cu
transfere buraco do sitio j para i
HTCS-10
S/ dopagem: energia é minimizada se colocarmos 1 buraco por sítio
os buracos tendem a ficar localizados nos sítios sistema é um isolante (Mott)(para qq valor da repulsão Coulombiana)
C/ dopagem: buracos adicionais são “compartilhados”, diminuindo o momento local a tendência à ordem é enfraquecida
HTCS-11
O que o modelo simplificado prevê (2 dimensões)?
Teoria de Campo Médio (teoria de 1 partícula)
Simulações de Monte Carlo
HTCS-12
Este exemplo ilustra que a dimensão, d, do sistema desempenha um papel crucial:
d desvios do comportamento médio (flutuações)
Teorias de Campo Médio podem prever comportamentos pouco realistas em d = 1 ou 2
HTCS-13
Comportamento magnético razoavelmente bem explicado pelo modelo simplificado
E como explicar a fase AFM se estender a uma dopagem não-
nula?multi-orbitais, 3a. dimensão, etc
HTCS-14
Vejamos agora a fase SG:
Inicialmente pensou-se tratar de uma fase de vidro de spin [spin-glass], mas estudos experi-mentais e teóricos recentes sugerem tratar-se de uma fase listrada
HTCS-15
Fase listrada melhor observada num “primo” dos supercondutores
novo ingrediente:ordenamento direcional dosorbitais d do Mn
Formação de CDW [onda de densidadede carga]
HTCS-16
Ondas de densidade de carga e ondas de densidade de spin
Separemos os elétrons em duas “espécies”: spin- e spin-
N.B.: Em 1-D não há ordem magnética de longo alcance; a SDW é um estado quase-ordenado
HTCS-17
HTCS-18
ômico
não-ômico
Se período da CDW incomen-surável com a rede [i.e., r a; r racional e a parâmetro de rede] transporte de corrente é não-ômico
Explicação: analogia mecânica
Acredita-se que nos HTCS haja um equilíbrio entre o ordenamento de spin (AFM, nao SDW) e o ordenamento de cargas (tipo CDW) ao longo de uma direção ( na Fig.):
HTCS-19
As cargas tendem a se agrupar em regiões de menor ordem AFM
HTCS-20
Vejamos agora a Supercondutividade:
Qual o mecanismo (i.e., o que torna alguns materiais) SUC?
Para responder a esta pergunta, voltemos aos SUC convencionais
Efeito isotópico:
MTc
(M é a massa do isótopo utilizadocomo íon da rede)
ions participam ativamente fônons
log 10
Tc
log10 M
= 0.504
HTCS-21
Frölich (1951): Um elétron pode atrair outro, via interação com os fônons:
HTCS-22
2 elétrons interagindo atrativamente em presença do mar de Fermi formam um estado ligado: par de Cooper (1957)
Gás de e `s
Estados ocupados
Estados desocupados
F
+ interação atrativa
Conseqüência: abre-se um gap no espectro
HTCS-23
Para entender o papel do gap, analisemos o processo de condução em metais normais (cargas positivas):
momento
ener
gia
momentoen
ergi
a00 jk
ii 00 jk
ii
Buraco só é espalhado ( resistência) pq há estados finais disponíveis
dens. de corrente
HTCS-24
ener
gia
momento
ener
gia
momento
Condução por pares:
KCM = 0
Para um par “sentir” a impureza teria que ser quebrado:
KCM 0 alto custo energético (gap!)
Ao formarem pares, os elétrons “se vacinam” contra as fontes de resistência
ughTk
FDcB )(
1exp –
HTCS-25
Teoria BCS [Bardeen, Cooper & Scrieffer] (1957):
escala de energia: determinada pelos fonons temperaturas limitadas a 30 K
intensidade da interacao e-e via fonondensidade de estados no nivel de Fermi
HTCS-26
HTCS: ausência de efeito isotópico sugestiva de outro mecanismo
Candidato: interação (magnética) entre spins
Até o momento não há teoria satisfatória para os HTCS!!!
TTc0 T*
HTCS
TTc0
conv e R = 0
R = 0