Orientador: Rafael Zadorosny / Resumo: O estudo de materiais supercondutores (SCs) em escalas nanométricas tem se destacado na área da Física de Matéria Condensada nas últimas décadas. O foco tem-se dado aos estudos das propriedades elétricas e magnéticas desses materiais, além da intensificação do desenvolvimento de técnicas para a produção e manipulação em nanoescala. Nos ditos supercondutores mesosocópicos, efeitos de confinamento influenciam na dinâmica de vórtices, ocasionando, inclusive, estados de vórtices múltiplos e de vórtices gigantes. Neste trabalho, usamos a teoria de Ginzburg-Landau para estudar supercondutores mesoscópicos com uma rede de defeitos. Foram analisados o comportamento magnético das amostras para dois tipos diferentes de defeitos, sendo eles, buracos que transpassam o material (antidots, ADs) e buracos com uma fina camada supercondutora (Blind Holes, BHs). As amostras foram expostas a campos externos variáveis e o loop de histerese das mesmas fora levantado. Os sistemas foram simulados com temperatura T=0,9Tc, e possuindo geometria quadrada de tamanho lateral L=54 ξ(0), defeitos também quadrados de lado l=2ξ(0) e espaçados por 2ξ(0). Nestas condições, efeitos de confinamento são muito fortes, inclusive devido ao tamanho dos vórtices, cujo ξ(T=0,9) é aproximadamente 3ξ(0). Com isso, há pouca diferença no comportamento global das diferentes amostras, contudo, a dinâmica de vórtices é alterada devida à natureza distinta entre ADs e BHs. Outro fato interessante é que, sendo os vórtices muito... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Em trabalhos anteriores de nosso grupo de pesquisa foram desenvolvidos fios supercondutores nanoestruturados de Nb3Sn com introdução de centros de aprisionamento artificiais (CAAs) de Cu(Sn), numa tentativa de melhorar as propriedades supercondutoras. Porém, os perfis de tratamentos térmicos utilizados não foram otimizados. No presente trabalho as amostras desses fios compósitos foram utilizadas para otimização dos perfis de tratamentos térmicos visando determinar a influência destes perfis no processo de difusão atômica, reação e formação de fases nestes supercondutores nanoestruturados, e, com isso, otimizar a capacidade de transporte de corrente desses materiais. As micrografias e as análises composicionais obtidas produziram um conjunto de informações sobre os mecanismos de difusão e formação da fase supercondutora de Nb3Sn. As amostras foram analisadas quanto às suas propriedades e características supercondutoras. Com as medidas de transporte e magnetização pôde-se obter o comportamento global do supercondutor e o comportamento de cada filamento individual de Nb3Sn, respectivamente. Os compósitos otimizados apresentaram valores de temperatura crítica Tc próximos de 17 K, valores de Bc2 da ordem de 18 T, e densidades de corrente crítica tão altas quanto 1750 A/mm² a 4,2K e 12 T. Os máximos das curvas de força de aprisionamento aconteceram em campos magnéticos tão altos quanto 10 T, aproximadamente 0,5 Bc2, em distinção ao valor de 4,5 T (cerca de 0,2 Bc2) para Nb3Sn convencional, deslocamento que demonstra mudanças no comportamento de aprisionamento de fluxo nestes materiais. Um comportamento inédito e importante, que mistura os mecanismos de aprisionamento de fluxo devido aos contornos de grãos e as fases normais, está presente e pôde ser quantificado em detalhe. A análise dos comportamentos de todas as amostras possibilitou um entendimento satisfatório da influência dos CAAs na fase supercondutora e da influência do efeito de proximidade no aprisionamento de fluxo e nas propriedades de transporte destes materiais. / In previous works of our research group it was shown the development of Nb3Sn nanostructured superconducting wires with introduction of artificial pinning centers (APCs) of Cu(Sn), in an attempt to improve the superconducting properties. However, the used heat treatment profiles were not optimized. In the present work samples of these composite wires were used to optimize the heat treatment profile aiming to determine the influence of these profiles on the processes of atomic diffusion, reaction and formation of phases in these nanostructured superconductors and, consequently, optimize the transport properties of these materials. The obtained micrographs and compositional analysis gave a set of information about the diffusion mechanisms and formation of the Nb3Sn superconducting phase. The samples were analyzed in relation to their superconducting properties and characteristics. The transport and magnetization measurements showed the global behavior of the superconductor and the behavior of each individual Nb3Sn filament, respectively. The optimized composites presented values of critical temperature Tc around 17 K, values of Bc2 around 18 T, and critical current densities as large as 1750 A/mm2 at 4,2 K and 12 T. The peaks of the pinning force curves, occurred at magnetic fields as large as 10 T, approximately 0.5 Bc2, in distinction to the value of 4.5 T (about 0.2 Bc2) for conventional Nb3Sn, displacement that demonstrates changes on the flux pinning behavior in these materials. An inedit and important behavior, which mixes the flux pinning mechanisms due to the grain boundaries and to the normal phases, is present and could be quantified in detail. The behavior analysis of all samples enable a satisfactory understanding of the APCs influence on the superconducting phase and of the influence of the proximity effect on the flux pinning and on the transport properties of these materials.

Em trabalhos anteriores de nosso grupo de pesquisa foram desenvolvidos fios supercondutores nanoestruturados de Nb3Sn com introdução de centros de aprisionamento artificiais (CAAs) de Cu(Sn), numa tentativa de melhorar as propriedades supercondutoras. Porém, os perfis de tratamentos térmicos utilizados não foram otimizados. No presente trabalho as amostras desses fios compósitos foram utilizadas para otimização dos perfis de tratamentos térmicos visando determinar a influência destes perfis no processo de difusão atômica, reação e formação de fases nestes supercondutores nanoestruturados, e, com isso, otimizar a capacidade de transporte de corrente desses materiais. As micrografias e as análises composicionais obtidas produziram um conjunto de informações sobre os mecanismos de difusão e formação da fase supercondutora de Nb3Sn. As amostras foram analisadas quanto às suas propriedades e características supercondutoras. Com as medidas de transporte e magnetização pôde-se obter o comportamento global do supercondutor e o comportamento de cada filamento individual de Nb3Sn, respectivamente. Os compósitos otimizados apresentaram valores de temperatura crítica Tc próximos de 17 K, valores de Bc2 da ordem de 18 T, e densidades de corrente crítica tão altas quanto 1750 A/mm² a 4,2K e 12 T. Os máximos das curvas de força de aprisionamento aconteceram em campos magnéticos tão altos quanto 10 T, aproximadamente 0,5 Bc2, em distinção ao valor de 4,5 T (cerca de 0,2 Bc2) para Nb3Sn convencional, deslocamento que demonstra mudanças no comportamento de aprisionamento de fluxo nestes materiais. Um comportamento inédito e importante, que mistura os mecanismos de aprisionamento de fluxo devido aos contornos de grãos e as fases normais, está presente e pôde ser quantificado em detalhe. A análise dos comportamentos de todas as amostras possibilitou um entendimento satisfatório da influência dos CAAs na fase supercondutora e da influência do efeito de proximidade no aprisionamento de fluxo e nas propriedades de transporte destes materiais. / In previous works of our research group it was shown the development of Nb3Sn nanostructured superconducting wires with introduction of artificial pinning centers (APCs) of Cu(Sn), in an attempt to improve the superconducting properties. However, the used heat treatment profiles were not optimized. In the present work samples of these composite wires were used to optimize the heat treatment profile aiming to determine the influence of these profiles on the processes of atomic diffusion, reaction and formation of phases in these nanostructured superconductors and, consequently, optimize the transport properties of these materials. The obtained micrographs and compositional analysis gave a set of information about the diffusion mechanisms and formation of the Nb3Sn superconducting phase. The samples were analyzed in relation to their superconducting properties and characteristics. The transport and magnetization measurements showed the global behavior of the superconductor and the behavior of each individual Nb3Sn filament, respectively. The optimized composites presented values of critical temperature Tc around 17 K, values of Bc2 around 18 T, and critical current densities as large as 1750 A/mm2 at 4,2 K and 12 T. The peaks of the pinning force curves, occurred at magnetic fields as large as 10 T, approximately 0.5 Bc2, in distinction to the value of 4.5 T (about 0.2 Bc2) for conventional Nb3Sn, displacement that demonstrates changes on the flux pinning behavior in these materials. An inedit and important behavior, which mixes the flux pinning mechanisms due to the grain boundaries and to the normal phases, is present and could be quantified in detail. The behavior analysis of all samples enable a satisfactory understanding of the APCs influence on the superconducting phase and of the influence of the proximity effect on the flux pinning and on the transport properties of these materials.

O presente trabalho analisou as condições de texturização de amostras de Ag/Bi2212 (Bi2Sr2CaCu2O8+δ) na forma de pastilhas e de fitas, verificando-se a influência do tratamento térmico, atmosfera, adição de prata e adição de zircônia ou zirconato de cálcio. As adições de zircônia ou de zirconato de cálcio, com partículas de dimensões submicrométricas ou nanométricas (abaixo de 200nm), foram analisadas como possíveis geradores de centros de aprisionamento de fluxo magnético, assim como foi feita a análise de seus comportamentos nas propriedades intrínsecas da matriz supercondutora. A influência da atmosfera de tratamento térmico foi analisada de modo a alterar a concentração de oxigênio na fase supercondutora visando melhores resultados de temperatura crítica, sem depreciação das densidades de corrente crítica e dos campos de irreversibilidade, Birr. Foram analisadas as influências dos parâmetros de tratamento térmico, tais como temperatura máxima de reação, tempo nesta temperatura máxima, taxa de resfriamento do estado líquido ao estado sólido, e temperatura e tempo de recozimento após solidificação. Verificou-se a influência do resfriamento do forno sobre a texturização e a temperatura crítica. Quanto à dopagem com prata, foi verificada sua influência na texturização e interação com a zircônia. Foram realizadas caracterizações supercondutoras e microestruturais das amostras. / The present work analyzed the texturing conditions of Ag/Bi2212 samples (Bi2Sr2CaCu2O8+δ) in the form of bulks and of tapes, verifying the influence of heat treatment, atmosphere, silver addition and addition of zirconia or calcium zirconate. The additions of zirconia or calcium zirconate, with particles of submicron or nanometric (below 200nm) dimensions, were analyzed as possible generators of magnetic flux pinning centers, as well as it was analyzed their behaviors on the intrinsic properties of the superconducting matrix. The influence of the heat treatment atmosphere was analyzed in order to change the oxygen concentration in the superconducting phase aiming better results of critical temperature, without depreciation of the critical current densities and of the irreversibility fields, Birr. The influences of the heat treatment parameters were analyzed, such as the reaction maximum temperature, soaking time at this maximum temperature, cooling rate from the liquid to the solid states, and annealing temperature and time after solidification. It was verified the influence of the furnace cooling rate on the texturing and critical temperatures. Concerning to the silver addition, it was verified its influence on the texturing and its interaction with the zirconia. Superconducting and microstructural characterizations of the samples were performed.

O presente trabalho analisou as condições de texturização de amostras de Ag/Bi2212 (Bi2Sr2CaCu2O8+δ) na forma de pastilhas e de fitas, verificando-se a influência do tratamento térmico, atmosfera, adição de prata e adição de zircônia ou zirconato de cálcio. As adições de zircônia ou de zirconato de cálcio, com partículas de dimensões submicrométricas ou nanométricas (abaixo de 200nm), foram analisadas como possíveis geradores de centros de aprisionamento de fluxo magnético, assim como foi feita a análise de seus comportamentos nas propriedades intrínsecas da matriz supercondutora. A influência da atmosfera de tratamento térmico foi analisada de modo a alterar a concentração de oxigênio na fase supercondutora visando melhores resultados de temperatura crítica, sem depreciação das densidades de corrente crítica e dos campos de irreversibilidade, Birr. Foram analisadas as influências dos parâmetros de tratamento térmico, tais como temperatura máxima de reação, tempo nesta temperatura máxima, taxa de resfriamento do estado líquido ao estado sólido, e temperatura e tempo de recozimento após solidificação. Verificou-se a influência do resfriamento do forno sobre a texturização e a temperatura crítica. Quanto à dopagem com prata, foi verificada sua influência na texturização e interação com a zircônia. Foram realizadas caracterizações supercondutoras e microestruturais das amostras. / The present work analyzed the texturing conditions of Ag/Bi2212 samples (Bi2Sr2CaCu2O8+δ) in the form of bulks and of tapes, verifying the influence of heat treatment, atmosphere, silver addition and addition of zirconia or calcium zirconate. The additions of zirconia or calcium zirconate, with particles of submicron or nanometric (below 200nm) dimensions, were analyzed as possible generators of magnetic flux pinning centers, as well as it was analyzed their behaviors on the intrinsic properties of the superconducting matrix. The influence of the heat treatment atmosphere was analyzed in order to change the oxygen concentration in the superconducting phase aiming better results of critical temperature, without depreciation of the critical current densities and of the irreversibility fields, Birr. The influences of the heat treatment parameters were analyzed, such as the reaction maximum temperature, soaking time at this maximum temperature, cooling rate from the liquid to the solid states, and annealing temperature and time after solidification. It was verified the influence of the furnace cooling rate on the texturing and critical temperatures. Concerning to the silver addition, it was verified its influence on the texturing and its interaction with the zirconia. Superconducting and microstructural characterizations of the samples were performed.

Magnetic nanorings are the object of increasing scientific interest because they possess the vortex (stray field free) state which ensures lower magnetostatic interactions between adjacent ring elements in high packing density memory devices. In addition, they have other potential applications such as single magnetic nanoparticle sensors, microwave-frequency oscillators and data processing. The stabilization of magnetization state, types of domains and domain wall structures depends on the competing energies such as magnetostatic, exchange and anisotropy. The nucleation/ pinning of domain walls depends on the local inhomogeneity in shape such as roughness, notches etc, which play an important role in stabilizing domain configurations that can be controlled by magnetic field/spin polarized current etc. The information gained by the study of magnetization reversal in the nanoring devices could help in understanding the possible stable magnetization states, which can be incorporated into the development of magnetic logic and recording devices in a NR-based architecture. The magnetization reversal and the stable states in the symmetric cobalt nanorings (NRs) attached with nanowires (NWs) (at diametrically opposite points), is studied through magnetoresistance (MR) measurements by application of in-plane magnetic field (H). Here, a strong in-plane shape anisotropy is introduced in cobalt thin films by patterning them into NR and NWs. The presence or absence of a DW in the device is detected utilizing the AMR property of the material, where the presence of DW leads to a decrease in the resistance of the probed section of the device. It is demonstrated that the magnetization reversal of the device with smaller width, proceeds through four distinct magnetization states, one of these is the stabilized vortex state that persists over a field range of 0.730 kOe. The effect of width (from 70 nm to 1 µm) and diameter (from 2 µm to 6 µm) on the switching behavior is demonstrated. The magnetization states observed in the MR measurements are well supported by micromagnetic simulations. A statistical analysis of switching fields in these devices was demonstrated by histogram plot (of switching counts) to understand the repeatability and reproducibility of switching characteristics. In addition, the magnetization reversal of permalloy NR is also studied by MR experiment when two NWs are attached to it in two different configurations. It has been demonstrated that a vortex state can be stabilized if the NWs are attached in a way that they are at an obtuse angle with respect to each other (type-II device) which is not the case if the NWs are attached at diametrically opposite points (type-I device). This occurs because the NWs reverse at different fields as they are asymmetric with respect to applied magnetic field at every angle. The angular dependence study of the magnetization states indicates that the vortex state could be always stabilized in the type-II device irrespective of the direction of in-plane applied magnetic field while it is not the case in type-I device. The experimental observations are in good agreement with micromagnetic simulations performed on similar device structures. Further, in the last part of the thesis, the magnetization reversal of geometrically engineered cobalt NR (of width 80 nm) devices are studied by application of H. Two types of cobalt nanoring devices were fabricated. In type-1 devices the NR is attached with two nanowires (NWs) at diametrically opposite positions. In type-2 devices the NR is attached with one NW, whose other end is attached to a 5 µm x 5 µm square pad. In type-2 device, the pad reverses first, thus causing the generation of a DW at the junction of the nucleation pad and the NW. The device type-2 possesses five distinct magnetization states, one of these is the vortex state. Easy nucleation of domain walls (DWs) results in a decrease of switching field corresponding to the reversal of the nanowire. This leads to an increase in the range of fields, where the vortex state exists. In addition, angular dependence of the switching behavior indicates that the vortex state can be stabilized at all in-plane orientations of H. This occurs because of the fact that symmetry was broken due to the presence of single domain wall pinning center which was the junction of the NR and NW. The results of our micromagnetic simulations are in a good agreement with the experimental results. These results are important to understand the role of NWs which allows the formation of vortex state at every angle of the in-plane H. In type-1 device, the simulation shows that when the field is applied at any angle away from the axis of the NW, the vortex state cannot be stabilized. The width dependent study of switching fields indicates, that the switching fields decrease with increasing the width of NR devices due to a reduction of the demagnetization field.