Realização de montagens experimentais para estudo de propriedades de transporte elétrico e magnetostricção em materiais supercondutores

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a implementação de sistemas experimentais para o estudo de propriedades de transporte elétrico e de magnetostricção em materiais supercondutores. O objetivo central foi construir um aparato experimental robusto, confiável e automatizado, capaz de realizar medições precisas em uma ampla faixa de temperaturas e na presença de campos magnéticos variáveis. Para tanto, foram projetados e montados sistemas dedicados às medidas de resistividade elétrica, magnetorresistência e magnetostricção. Como parte da implementação do sistema de medidas de magnetotransporte, foram idealizados e realizados circuitos de integração elétrica para operação em modo de corrente contínua (com inversão de polaridade) e corrente alternada (utilizando gerador de sinais, fonte de corrente e amplificador-detector sensível à fase (lock-in amplifier). O desenvolvimento e a adaptação de uma cana de medição, incluindo portaamostras, termômetros (Pt-100 e CGR-1000) e aquecedores fez parte desta montagem. A criação de um software de automação e aquisição de dados no LabVIEW para controle de temperatura e medição simultânea de tensão de amostra e resistência foi implementada. A calibração experimental do termômetro de platina (Pt-100) também foi feita. Adicionalmente, foi elaborada a metodologia completa para síntese e condicionamento de amostras do supercondutor Y Ba2Cu3O7. Todas as etapas de montagem, integração eletrônica e programação foram concluídas, deixando o sistema pronto para a fase de testes experimentais. Testes preliminares foram realizados no composto Heusler magnético P d2MnSn e no supercondutor Y Ba2Cu3O7 demonstrando operacionalidade, reprodutibilidade nas medidas e confiabiliadade. O sistema para medidas de magnetostricção também foi implementado, com adaptações da montagem experimental existente e melhorias no software usado na aquisição dos dados. Os teste preliminares efetuados numa amostra de cobalto ferromagnético e no supercondutor Y Ba2Cu3O7 demostraram a operacionalidade do sistema, que reproduz resultados reportados na literatura científica. Embora os testes até então realizados com os dois sistemas desenvolvidos ou aperfeiçoados no presente trabalho tenham sido bem sucedidos, desenvolvimentos suplementares serão necessários para torná-los inteiramente operacionais e capacitados para realização rotineira de medidas científicas confiáveis, precisas e reprodutíveis.

This work presents the development and implementation of experimental systems for the study of electrical transport and magnetostriction properties in superconducting materials. The main objective was to build a robust, reliable, and automated experimental apparatus capable of performing precise measurements over a wide temperature range and under variable magnetic fields. For this purpose, dedicated systems for electrical resistivity, magnetoresistance, and magnetostriction measurements were designed and assembled. As part of the implementation of the magnetotransport measurement system, electrical interface circuits were designed and built for operation in direct-current mode, with polarity reversal, and in alternating-current mode, using a signal generator, a current source, and a lock-in amplifier. The development and adaptation of a measurement probe, including sample holders, thermometers (Pt-100 and CGR-1000), and heaters, were also part of this setup. In addition, LabVIEW software was implemented for automation and data acquisition, allowing temperature control and simultaneous measurement of the sample voltage and resistance. The experimental calibration of the platinum thermometer (Pt-100) was also carried out. Furthermore, a complete methodology for the synthesis and preparation of samples of the superconducting compound Y Ba2Cu3O7 was established. All stages of assembly, electronic integration, and programming were completed, leaving the system ready for the experimental testing phase. Preliminary tests performed on the magnetic Heusler compound P d2MnSn and on the superconductor Y Ba2Cu3O7 demonstrated proper operation, reproducibility of the measurements, and reliability. The system for magnetostriction measurements was also implemented, including adaptations to the existing experimental setup and improvements to the software used for data acquisition. Preliminary tests carried out on a ferromagnetic cobalt sample and on the superconductor Y Ba2Cu3O7 demonstrated the proper operation of the system, which reproduced results reported in the scientific literature. Although the tests performed so far with the two systems developed or improved in the present work have been successful, further developments are still necessary to make them fully operational and suitable for routine scientific measurements that are reliable, precise, and reproducible.