Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de...

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Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis Ghivelder Instituto de Física Universade Federal do Rio de Janeiro Colombia - abril 2013

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Magnetismo y Superconductividad:

Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el

laboratorio de bajas temperaturas

Luis Ghivelder

Instituto de Física Universade Federal do Rio de Janeiro

Colombia - abril 2013

Page 2: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Experimental techniques Some research areas

Manganites

Double perovskites

Superconductivity

Magnetization

Specific heat

Resistivity

Magnetostriction

x-ray diffraction

neutron diffraction

sample preparation

Magnetocaloric materials

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Experimental Techniques Magnetization

Specific heat

Resistivity

Low temperaturesSmall samples

(~1 mg)High

magnetic fields

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Physical Properties Measuring System (PPMS)

Temperature1.9 a 400 K

Cost~ U$ 300k

Magnetic field H = 9 Tesla

Continuos operation with remote access 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

0

5

10

15

20

Ghivelder e colaboradores outros pesquisadores

total - 125 papers

Núm

ero

de

publ

icaç

ões

Ano

main experimental system

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Magnetization

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Resistivity Specific heat

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Software control

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Review - Magnetism in solids

Principios fundamentales

Temperature induced disorder

Longe range order

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weakly interacting electrons the Curie-Weiss law

Paramagnets

• mm = molar magnetic susceptibility= molar magnetic susceptibility

• C C = Curie constant= Curie constant

• = Weiss constant= Weiss constant

mm = C/(T+ = C/(T+))

mm

mm

= 0 = 0 Paramagnetic - Paramagnetic - independent independent

spinsspins

> 0 > 0 Ferromagnetic interactions Ferromagnetic interactions

< 0 < 0 Antiferromagnetic Antiferromagnetic

interactionsinteractions

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Ferromagnets and Antiferromagnets

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0 100 200 300 400

Temperature (K)M

ola

r S

usc

epti

bili

ty,

m

Antiferromagnet

TN =100 K

TN

mm

non-frozen

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

0 100 200 300 400

Temperature (K)

Mo

lar

Su

scep

tib

ility

, m

Ferromagnet

TC =100 K(T=0) = 3 B

TC

mm

non-frozen

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Other types of magnetic ordering:

Spin glass and cluster glass states

Spins or magnetic moments frozen in a disordered state

Frustration of magnetic interactions due to disorder

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Sometimes it is difficult to distinguish experimentally between different magnetic

states

20 30 40 50 60 70 800

1

2

T (K)

M (

emu/

g)

Ni3AlH=1.5Oe

Field Cooled

Zero Field Cooled

An ordinary ferromagnet

Isolated FeNnanoparticlesH = 20 Oe

50 100 150

0.6

1.2

1.8

0

(

10-2

em

u/cm

3 )

T (K)

Isolated magnetic moments0 10 20 30 400.5

1.0

1.5

T (K)M

(10

-3 e

mu/

cm3 )

Cu97Mn3H= 1.0 Oe

Canonical Spin-Glass

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Slow dynamics in spin glasses

Frequency dependence of the ac susceptibility

Hac= 1 Oe, Hdc= 0 Oe

Temperature (K)5 10 15 20 25 30

' (

emu/

mol

)

0

2

4

6

811 Hz33 Hz 110 Hz 333 Hz 1100 Hz3330 Hz11.0 kHz

Canonical Spin-Glass

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0 50 100 150 200 250

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25Au0.81Fe0.19

M (

emu/

g)

T(K)

ZFC

FC

H = 30 Oe

Re-entrant spin glasses

0 50 100 150 200

0

100

200

300

400 Au0.81Fe0.19 Tc (H)Tk (H)

R-SG

FM PM

H (

Oe

)

T (K)

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Manganites

Research areas:

La1-xCaxMnO3

CMR

AFM

Phase Separation

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Phase separation in La0.5Ca0.5MnO3

FM

AFM-CO

0 50 100 150 200 250 3000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06 La0.5

Ca0.5

MnO3

H = 20 Oe

M ( B

/Mn)

T (K) PMIFMM

AFM-COI

Tc

TN

PS

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FM fraction depends on grain size of the polycrystalline sample

Page 18: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Structural determination with x-ray diffraction

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Laboratório Nacional de Luz SincrotronLNLS – Campinas, São Paulo

Page 20: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

X-ray powder diffraction measurements

high resolution

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Data analysis with Rietveld refinment

20 40 60 80 100 120

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000 Yobs

Ycalc

Yobs

- Ycalc

Pos. Bragg

La0.225

Pr0.4

(Ca0.95

Sr0.05

)0,375

MnO3

In

tens

ity (

a.u.

)

deg

RB = 6.91 %

RF = 5.85 %

2 = 1.67

Page 22: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Evolution of Mn-O-Mn bond angle and Mn-O bond lenght with increasing Sr concentent

Results from Rietveld analysis

50 100 150 200 250 300

5.41

5.42

5.43

5.44

5.45

La0.225

Pr0.4

(Ca1-x

Srx)0,375

MnO3

x = 0.05

M-D

C (

emu/

g)

La

ttice

Par

amet

ers

(A)

Temperature (K)

a b´ c

0

5

10

15

20

x = 0.05

Page 23: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Capacitive DilatometerCapacitive Dilatometer

Magnetostriction and thermal expansion measurements

Magnetostriction and thermal expansion measurements

Experimental technique to proble volume changes in the compound

Experimental technique to proble volume changes in the compound

Page 24: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Volume reduction at the metamagnetic tansition

Page 25: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Resistivity relaxation after applying and removing Hdc

DYNAMICSDYNAMICS

AFM

time

H(to go faster)

La0.325Pr0.30Ca0.375MnO3

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Double Perovskites with RuResearch areas:

20 25 30 35 400.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Sr2YRuO6

C

/T (

J/m

ol.K

2 )

T (K)

Perovskites ABO3

Double perovskites A2BB’O6

Sr2YRuO6

Specific heat

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100

150

153

156

159

162distance Ru-O2

angleY-O1-Ru

angleY-O2-Ru

5020 300

Y-O

-Ru

angl

es (

degr

ees)

T (K)

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

Ru-

O2

dis

tanc

e (Å

)

Page 28: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Neutron diffraction for determining structure and

magnetism

Page 29: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Neutron diffraction data

Combined neutron and x-ray diffraction yield a microscopic determination of the

structure and magnetic phases

Sr2YRuO6

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Magnetocaloric materials

Research areas:

Prof. Angelo Gomes

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Superconductivity

Research areas:

Prof. Said Sugui

Page 32: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

The Discovery

Page 33: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Type II superconductors

Mixedstate

Normalstate

Meissnerstate

H

T

Hc2

(T=0)

Hc1 (T=0)

Tc (H=0)

VorticesVortices

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Magnetization of a type II superconducor

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YBa2Cu3O7-

High temperature superconductors

Materials:Materials:

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YBa2Cu3O7-

Very complex physics

Page 37: Magnetismo y Superconductividad: Principios fundamentales, sistemas experimentales y líneas de investigación en el laboratorio de bajas temperaturas Luis.

Measurement made at Imperial College, UK, with scanning tunneling

microscopy

Ba1-xKxFe2As2

Discovered in 2008 : New Fe and As based superconductorsPinictides

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Large number of pinictides compounds discovered so far

BaFe1.8Co0.2As2 is predicted to have an upper critical field of 43 Teslas

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Some experimetal results

YBaCuOYBaCuO

88 89 90 91 92 93 94

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

f = 500 Hz

hac=0.5 Oe

' (a

.u.)

T (K)

91.6 91.8 92.0 92.2 92.4 92.6 92.8 93.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

f = 500 Hz

hac=0.5 Oe

' (a

.u.)

T (K)

0 2 4 6 8

-0.04

-0.02

0.00 T = 60 K

full penetration field

Hp - 2nd magnetizarion peak

m (e

.m.u

)

H (T)

0 2 4 6 8

-0.04

-0.02

0.00

m (e

.m.u

)

H (T)

dm/d(log(t))

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El Laboratorio de Bajas TemperaturasEl Laboratorio de Bajas Temperaturas

PPMSPPMS

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VSMVSM

SQUIDSQUID

Mili KelvinMili Kelvin

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Preparación de

materiales

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Helio liquidoHelio liquido

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Postgrado en la Universidad Federal de Río de Janeiro

Becas para maestría y doctorado accesible

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Gracias

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