lucidi - INRiM

Il tempo della scienza: “incontri del Giovedì 2010”
iNRiM, 30 Settembre 2010
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica
Il campo magnetico si può vedere!
Il campo magnetico si può vedere!
Francesco Laviano
Francesco Laviano
Dipartimento di Fisica
Politecnico di Torino
Politecnico di Torino
La visualizzazione del campo magnetico
p
g
• Cenni storici
Cenni storici
• Fenomeni naturali: tempeste magnetiche
• Tecniche di visualizzazione magnetica sviluppate a partire dal XIX secolo
• Magneto
Magneto‐‐ottica: distribuzione di campo magnetico nei materiali superconduttori e ferromagnetici
Il magnetismo e la forza magnetica: etimologia
g
g
g
Magnetismo
i
: μαγνήτις λίθος, magnétis líthos,
pietra di Magnesia, ovvero magnetite
[(Fe3O4) + Hematite (Fe2O3) + Wüstite (FeO)]
Esempi
p di forma minerale di magnetite
g
Il magnetismo e la forza magnetica: etimologia
g
g
g
Magnesia: da Magnesia ad Sipylum
Magnesia: da Magnesia ad Sipylum,
monte Sipilo (attuale Manisa, Turchia, 65 Km NE da Smirne).
Ce sto c
Cenni storici
Aristotele riporta Thales
riporta Thales di Mileto di Mileto (585 a.C.): la forza esercitata dalla magnetite sul
di Mileto (585 a.C.): la forza esercitata dalla magnetite sul ferro è dovuta alla presenza di un’anima nel minerale
Cina, IV secolo a.C., 鬼谷子
Cina
IV secolo a C 鬼谷子 (Libro mastro della Valle del Diavolo), (Libro mastro della Valle del Diavolo) “…la
la magnetite magnetite
attira il ferro…”
P
Petrus
P
Peregrinus
i
d Maricourt
de Maricourt
de M i
(1269)
(1269): autore di “De Magnete”, descrizione di “D M
”d
ii
dettagliata del funzionamento della bussola, definizione dei poli magnetici (con riferimento diretto al magnetismo terrestre)
Rivoluzione scientifica, XIX secolo (Elettromagnetismo): Charles‐Augustin de y
g
Coulomb, Henry Cavendish, Alessandro Volta, Hans Christian Oersted, Georg Ohm, André‐Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Pierre Simon Laplace, Jean‐Baptiste
Biot, Félix Savart, Michael Faraday, Heinrich Lenz, Charles Wheatstone, Oliver Heaviside, Franz Ernst Neumann, Woldemar Voigt, Gustav Kirchhoff, Heinrich
Heaviside, Franz Ernst Neumann, Woldemar
Voigt, Gustav Kirchhoff, Heinrich
Hertz, Hermann von Helmholtz, James Clerk Maxwell, Nikola Tesla, Pieter Zeeman, Hendrik Lorentz, Max Planck…..
Elettromagnetismo classico
g
James Clerk Maxwell
James Clerk Maxwell
(Edimburgo, 13 giugno 1831 – Cambridge, 5 novembre 1879)
“A Treatise on Electricity and Magnetism”
“A
T ti
El t i it
dM
ti ”
Clarendon Press, Oxford, 1873
Il campo magnetico in natura
ca po ag et co
atu a
Dipolo magnetico
po o ag et co
• In natura, la forza magnetica è generata da dipoli magnetici
In natura la forza magnetica è generata da dipoli magnetici
• Essi sono inscindibili in cariche magnetiche isolate (monopolo) –
esperimento della “calamita
esperimento della calamita spezzata
spezzata”:: dividendo un dipolo si ottiene una coppia di dipoli!
dividendo un dipolo si ottiene una coppia di dipoli!
Tempeste solari: coronal mass ejection
Visualizzazione “naturale”
del campo magnetico terrestre: aurora
Dalla stazione
spaziale ISS
N
Norvegia
i
Canada
Magnetismo nella materia
ag et s o e a ate a
Risposta magnetica di un corpo materiale:
Modellabile con campo vettoriale M(x,y,z) – magnetizzazione
C
Campo magnetico nello spazio (sovrapposizione degli effetti):
i
ll
i (
ii
d li ff i)
B = μ0H +
B = μ
H+M
Q
Qual è il comportamento della magnetizzazione nella materia?
p
g
Magnetismo nella materia
ag et s o e a ate a
• Interazione del campo magnetico sia con le particelle nucleari sia con gli elettroni
• Fenomenologie magnetiche dovute ad effetti colletivi di ordinamento di particelle con spin
Magnetismo nella materia
ag et s o e a ate a
Classificazione fenomenologica: • Diamagnetismo
• Paramagnetismo
• Superparamagnetismo
• Ferromagnetismo
• Superconduttività
à
Magnetismo nella materia:
S percond tti ità e Ferromagnetismo
Superconduttività e Ferromagnetismo
• Sono fenomeni naturali osservati al di sotto di una determinata temperatura critica
Sono fenomeni naturali osservati al di sotto di una determinata temperatura
temperatura critica,
critica
sia nei solidi con elementi puri, sia nei composti.
• Fenomenologia duale: i Superconduttori generano un momento magnetico che si oppone al h
l
campo magnetico esterno, mentre i Ferromagneti “allineano” il loro momento magnetico al campo esterno
• La transizione di fase consiste generalmente nella riduzione di simmetria di un sottoinsieme di stati delle cariche elettriche e la distribuzione della magnetizzazione indotta rispecchia la non
stati delle cariche elettriche e la distribuzione della magnetizzazione indotta rispecchia la non uniformità della distribuzione di carica e la sua simmetria.
• Le singolarità topologiche sono costituite da vortici, domini e pareti di dominio.
Le singolarità topologiche sono costituite da vortici domini e pareti di dominio
• Le distribuzioni di magnetizzazione misurate su materiali superconduttivi e magnetici mostrano pattern complessi
tt
l i
Magnetismo nella materia: magneti a ione e stra field
magnetizzazione e stray field
• I domini, le pareti di dominio e le singolarità (vortici) sono
caratterizzati dalla magnetizzazione interna del materiale e dal campo
generato all
all’esterno
esterno (stray field)
Ferromagnete
Magnetismo nella materia: magneti a ione e stra field
magnetizzazione e stray field
• I domini, le pareti di dominio e le singolarità (vortici) sono
caratterizzati dalla magnetizzazione interna del materiale e dal campo
generato all
all’esterno
esterno (stray field)
Superconduttore
Vortice superconduttivo
(lunghezza magnetica λ,
da decine di nm al μm)
Vortici
Distribuzione di vortici in un
campione rettangolare
rettangolare, E.
E H.
H Brandt
Tecniche di visualizzazione
ec c e d sua a o e
• Decorazione magnetica (Bitter decoration)
Decorazione magnetica (Bitter decoration)
• Microscopia elettronica a trasmissione (TEM), microscopia Lorentz
• Microscopia elettronica a scansione
l
p
g
(
)
• Microscopia a Forza Magnetica (MFM)
• Microscopia a Scansione con Sonda di Hall (SHPM)
• Diffrazione a raggi X
• Diffrazione di neutroni
Diffrazione di neutroni
• Tecniche di visualizzazione Magneto‐ottiche (MOI)
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
Decorazione con particelle ferromagnetiche
p
g
Decorazione Bitter
eco a o e tte
Il campo magnetico generato dal
materiale nello spazio circostante
(stray field) può essere
letteralmente decorato da
particelle ferromagnetiche
(particelle colloidali, dimensione
nanometrica e ricoperte da
sostanze tensioattive))
Francis Bitter, “On inhomogeneities in the magnetization of
ferromagnetic
g
materials”,, Phys.
y Rev. 39 1903 ((1931))
Decorazione Bitter: ferromagneti
f
g
Pattern magnetico
g
di
un iron garnet
Campo
p applicato
pp
26 kA/m
(330 Oe)
Decorazione Bitter: superconduttori
p
Predizione dell’esistenza dei vortici superconduttivi (contenenti ciascuno un
quanto di flusso magnetico) e della formazione di un reticolo di vortici: A. A.
Abrikosov, Soviet Physics JETP 5, 1174 (1957)
Nobel per la Fisica 2003
2003, Alexei A.
A Abrikosov,
Abrikosov Vitaly L.
L Ginzburg
Ginzburg, Anthony JJ.
Leggett, contributi pionieristici nella teoria dei superconduttori e della superfluidità
Prima osservazione dei vortici superconduttivi
(quanti di flusso magnetico):
(q
g
) U. Essmann and
H. Trauble, Physics Letters 24A, 526 (1967)
Decorazione Bitter
Vantaggi:
V
t
i
• Semplicità
• Si possono visualizzare campioni con superfici non
regolari (colloide “secco”)
• Elevata risoluzione spaziale (migliore di 100 nm)
Svantaggi:
• Sensibile solo allo stray field (osservazione indiretta)
• Visualizzazione di dinamiche “lente”
• Interazioni nel colloide, agglomerati, effetti di bordo
Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM)
p
(
)
Microscopia Lorentz: interazione degli elettroni accelerati (100-1000 KeV) con la
magnetizzazione
ti
i
(e
( con lo
l stray
t
fi
field),
ld) con conseguente
t deflessione
d fl
i
d
dovuta
t alla
ll
Forza di Lorentz
Visualizzazione
Vi
li
i
fuori-fuoco
f
if
(d
(defocused):
f
d) modalità
d lità F
Fresnel,
l consente
t di
visualizzare la deflessione magnetica come effetto ombra
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM)
p
(
)
Visualizzazione in fuoco ((modalità Foucault):
) combinazione della deflessione
magnetica e della diffrazione di Bragg, utilizza un diaframma nel piano di
diffrazione
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM)
p
(
)
Microscopia con contrasto di fase differenziale: utilizza un diaframma nel
piano
i
di diff
diffrazione
i
ed
d un rivelatore
i l
di
diviso
i iin d
due, iin modo
d che
h lla diff
differenza
del segnale sia proporzionale alla deflessione magnetica
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
Microscopia Elettronica a Trasmissione (TEM)
p
(
)
Olografia elettronica: fascio coerente di elettroni genera un pattern di
interferenza (ologramma), in cui è contenuta l’informazione dell’interazione
magnetica
ti
Modalità off-axis: un fascio di elettroni attraversa il campione, un secondo
fascio passa indisturbato e poi i due sono riuniti tramite un biprisma
elettrostatico. L’immagine è ricostruita tramite interferometria ottica
da Alex Hubert, Rudolf Schafer, “Magnetic Domains”, Springer (2000)
Electron Holography: superconduttori
g p y p
Nature 412 620 (2001)
TEM
Vantaggi:
V
t
i
• Elevata risoluzione
• Alta sensibilità
• Misura quantitativa e tridimensionale (fase differenziale)
Svantaggi:
• Costosa
• Campione sottile
• Preparazione campione laboriosa
• Campo di misura limitato
• Applicazioni di stimoli limitata (campo magnetico, stress
meccanico, etc.)
Microscopia a Scansione Elettronica (SEM)
p
(
)
Tipo I o Contrasto da Elettroni Secondari: gli elettroni emessi dal
materiale in risposta al fascio elettronico incidente sono deflessi dallo stray
field (il rivelatore è asimmetrico)
da Alex Hubert,
Hubert Rudolf Schafer,
Schafer “Magnetic
Magnetic Domains
Domains”, Springer (2000)
Microscopia a Scansione Elettronica (SEM)
p
(
)
Tipo II o Contrasto da Elettroni Retrodiffusi: il fascio elettronico è inclinato
rispetto alla superficie del campione, la deflessione magnetica nel bulk causa
il contrasto sul rivelatore
da Alex Hubert,
Hubert Rudolf Schafer,
Schafer “Magnetic
Magnetic Domains
Domains”, Springer (2000)
SEM
Vantaggi:
V
t
i
• Poca sensibilità rispetto alla condizione superficiale
del provino
• Potenzialmente tecnica quantitativa (elettroni
polarizzati) e accoppiabile con gli altri mezzi della
microscopia elettronica (analisi strutturale, chimica,
etc )
etc.)
Svantaggi:
• Generalmente poco contrasto
• Stimoli limitati
• Campioni conduttivi
Microscopia a Forza Magnetica (MFM)
p
g
(
)
Microscopia a Forza Magnetica (MFM)
p
g
(
)
Appl. Phys. Lett. 50, 1455 (1987)
J. Appl.
pp Phys.
y 62, 4293 ((1987))
Microscopia a Forza Magnetica (MFM): ferromagneti
p
g
(
) f
g
Permalloy, Romel D. Gomez et al., University of Maryland
MnAs/GaAs, O. G. Shpyrko et al., University of California
Particolarmente utile per caratterizzare pattern artificiali: film ferromagnetici per
applicazioni magneto-elettroniche (memorie)
(
)
Kong-Gay Loh,
Loh Renee Jobe and Briggs Christie,
Christie MIT
Microscopia a Forza Magnetica (MFM): s percond ttori
superconduttori
Nature Physics, 5 35 (2009)
MFM
Vantaggi:
p
• Elevata risoluzione spaziale
• Almeno tre diverse forme di contrasto
Svantaggi:
• Interazione punta-campione
• Velocità scansione
Microscopia a Scansione con Sonda di Hall (SHPM)
p
(
)
Pattern ferromagnetico in BaFeO,
Quantum Design (JP)
Vortices in YBCO,, S. Bending,
g, University
y of Bath
Diffrazione raggi X
gg
Metodo classico (Lang): fascio di radiazione X,incidenza con condizione
di Bragg, scansione del campione, sensibilità allo stress magneto
magneto-elastico
elastico
Topografia con radiazione di Sincrotrone: la grande brillanza dei fasci
di sincrotrone permette la visualizzazione real
real-time
time e misure
stroboscopiche (dinamica veloce)
da Alex Hubert,
Hubert Rudolf Schafer,
Schafer “Magnetic
Magnetic Domains
Domains”, Springer (2000)
Diffrazione di neutroni
Interazione diretta con la magnetizzazione attraverso neutroni polarizzati
da Alex Hubert,
Hubert Rudolf Schafer,
Schafer “Magnetic
Magnetic Domains
Domains”, Springer (2000)
Tecniche Magneto‐ottiche
ec c e ag eto ott c e
• Effetti magneto-ottici:
g
Kerr,, Faraday,
Kerr
y Voigt
g ((o Cotton-Mouton o
birifrangenza magnetica lineare)
• Rotazione del piano di polarizzazione della luce in dipendenza del campo
magnetico locale
• Tramite l’analisi
l analisi di polarizzazione
polarizzazione, la tecnica magneto
magneto-ottica
ottica permette di
visualizzare la distribuzione di campo magnetico come contrasto di intensità:
il campo
p magnetico
g
si può
p vedere!
(percezione diretta con l’occhio umano!!)
• Modellabili come termini non diagonali del tensore di permettività
• Microscopia magneto-ottica in riflessione: effetto Kerr (effetto polare ed
effetto longitudinale)
• Microscopia magneto-ottica in trasmissione: effetto Faraday (polare)
Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Kerr
g
ff
da Alex Hubert,
Hubert Rudolf Schafer,
Schafer “Magnetic
Magnetic Domains
Domains”, Springer (2000)
Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Kerr
g
ff
da Alex Hubert,
Hubert Rudolf Schafer,
Schafer “Magnetic
Magnetic Domains
Domains”, Springer (2000)
Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Faraday
g
ff
y
Rotazione del piano di polarizzazione
g
all’interno del materiale ferromagnetico
V, costante di Verdet
αF, angolo di rotazione Faraday
M. Faraday, Trans. Roy. Soc. 146 (1846) 1
Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Faraday
g
ff
y
Neèl tip - Bi-doped Iron Garnet
L Néel
L.
Néel, JJ. de phys
phys. [8] 5,
5 (1944) 241
Visualizzazione Magneto‐ottica: effetto Faraday
g
ff
y
Bloch points and vortices - Bi-doped Iron Garnet
Twists in Asymmetric Bloch Walls (and vortices)
2 μm
2 μm
2 μm
Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore
g
Limitazione: osservazione di materiali ferromagnetici con elevata qualità ottica
(perfezione cristallina, trasparenza)
Idea: uso di un film indicatore magneto-otticamente attivo
{Lu3‐x‐y‐zYyBixPbz}[Fe2‐uaGaua ](Fe3‐udGaud)O12
Si3N4
Al mirror
• Il film indicatore è ricoperto con un sottile specchio ed
uno strato protettivo.
protettivo
• La rotazione Faraday specifica supera i 30° kOe μm-1
L.A. Dorosinskii, M.V. Indenbom, V.I. Nikitenko, Yu.A. Ossip'yan, A.A. Polyanskii and V.K. Vlasko-Vlasov, Physica C 203 149 (1992)
Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore
g
Apparato sperimentale presso il Dipartimento di Fisica, Politecnico di Torino
Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore
g
Esempio di visualizzazione della distribuzione magnetica di un pattern artificiale:
3.5” floppy disk
Tecnica Magneto‐ottica con film indicatore
g
i (a.u.)
Esempio di visualizzazione della distribuzione magnetica di un pattern artificiale:
3.5” floppy disk
0.5
0.0
-0.5
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
position (pixels)
Visualizzazione della
componente di campo
magnetico perpendicolare al
film indicatore!
Visualizzazione di pattern: ferromagneti
p
f
g
BaFe12O19
Vortex-ESF Program
g
– sample
p courtesy
y of Prof. V.V. Moshchalkov
Visualizzazione di pattern: ferromagneti
p
f
g
BaFe12O19
2 μm
Vortex-ESF Program
g
– sample
p courtesyy of Prof. V.V. Moshchalkov
Visualizzazione di pattern: superconduttori
p
p
• Espulsione del flusso magnetico: effetto Meissner (aree centrali scure)
• Gradiente di vortici causato dalle supercorrenti
• Accumulo delle linee di flusso ai bordi del campione
• Caratteristiche linee di discontinuità a causa della diffusione nonlineare dei vortici
YBCO - T = 4.2
4 2 K μ0Happ = 44.15
44 15 mT
300 μm
1 mm
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
g
BA = E A / M S
Campo di anisotropia
B z = B ⋅ kˆ = B sin α
B xy =
( ) ( )
2
2
ˆ
ˆ
B ⋅ i + B ⋅ j = B cos α
α F = C M S sin φ
(E.1)
Angolo di rotazione Faraday
E A ⋅ (1 − cos φ ) + B ⋅ M S ⋅ [1 − cos(α − φ )]
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
g
Bz
φ = arctan
Bxy + BA
Angolo di equilibrio
I = I 0 + I MAX cos (α F + θ )
2
L
Legge
di M
Malus
l
Relazione tra intensità misurata e campo magnetico locale:
⎡
⎤
CM
B
S z
I = I 0 + I MAX cos2 ⎢
+θ⎥
⎢ (BA + Bxy ) 2 + B2z
⎥
⎣
⎦
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
In ersione della legge di Biot Sa art
Inversione della legge di Biot‐Savart
B(r ) = μ0 (H ext (r ) + Hind (r ) )
Con l’ipotesi
p
che il campione
p
sia “sottile”:
∇ ⋅ J (r ) = 0
μ0Hind (r ) =
= ˆi
+ ˆj
μ0
4π
μ0
4π
+ kˆ
μ0
4π
μ0
4π
∫∫∫
∫∫∫
∫∫∫
∫
J (r ' ) ∧ (r − r ' ) 3
d r' =
r − r'
J y ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( z − z' ) − J z ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( y − y' )
[( x − x' )
2
+ ( y − y' ) + ( z − z' )
2
]
2 3
J z ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( x − x' ) − J x ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( z − z' )
[( x − x' )
2
+ ( y − y' ) + ( z − z' )
2
]
2 3
dx ' dyy ' dz ' +
dx ' dy ' dz ' +
J x ( x' , y' , z' ) ⋅ ( y − y ' ) − J y ( x' , y ' , z' ) ⋅ ( x − x' )
[( x − x' )
2
+ ( y − y ' )2 + ( z − z' )
]
2 3
dx ' dy ' dz '
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
g
Componente misurata:
μ0
μ0 H z ( x , y , h ) =
4π
d /2
∫ ∫∫
−d / 2
J x ( x' , y ' ) ⋅ ( y − y ' ) − J y ( x' , y ' ) ⋅ ( x − x' )
[( x − x' )
2
+ ( y − y ' )2 + (h − z' )
]
2 3
dx ' dyy ' dz '
Applicando il teorema di convoluzione, nello spazio di Fourier:
μ
~
μ0 H z ( k x , k y , h ) = i 0
2
⎛
⎞ −( h − z ')
k
k
~
~
y
⎜
⎟e
x
−
J
(
k
,
k
)
J
(
k
,
k
)
x
x
y
y
x
y
∫
2
2
⎜ k2 + k2
⎟
+
k
k
−d / 2
x
y
x
y
⎝
⎠
d /2
k x2 + k 2y
dz '
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
g
−hk
⎧
μ
e
~
⎛d ⎞
0 ~
⎪ μ0 H z ( k x , k y , h ) = i 2 J x ( k x , k y ) k sinh⎜ 2 k ⎟
⎝
⎠
⎪
y
⎨
⎪ J~ ( k , k ) = − J~ ( k , k ) k x
x
x
y
y
x
y
⎪⎩
ky
Otteniamo un sistema con
soluzione unica!
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
Problema accoppiamento con il film indicatore
Problema: accoppiamento con il film indicatore
⎡
⎤
CM
B
S z
I = I 0 + I MAX cos2 ⎢
+θ⎥
⎥
⎢ (BA + Bxy ) 2 + B2z
⎣
⎦
Soluzione: procedura iterativa
Si calcola la distribuzione di correnti, da cui si stima il
campo
p magnetico
g
nel p
piano del film indicatore e si
corregge il valore misurato della componente
perpendicolare:
p
p
⎛ Bxy ⎞
⎟⎟ BZ |0
BZ = ⎜⎜1 +
BA ⎠
⎝
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
g
BZ(0) (x,y)
BZ(n+1) =(1+ Bxy(n)/ BA) BZ(0)
inv
version
ca
alibration
n
Magneto-optical
measurement
Jx
(0)(x,y)
Jy
and
(0)(x,y)
(x y)
Bx(n)(x,y)
( )
and
(n)(x,y)
By
(
(n)
)
Jx (x,y) and
Jy
( )(x,y)
(n)
( 1)≈ B (n)
( )
The algorithm is stopped when Bz(n+1)
z
Metodi di Magneto‐Ottica Quantitativa
g
Con la procedura iterativa, oltre alla misura corretta
della componente di campo magnetico perpendicolare
al film indicatore, otteniamo la distribuzione della
densità di corrente elettrica e del campo magnetico nel
piano del campione!
Misura 3D della distribuzione di campo magnetico!
F. Laviano, D. Botta, A. Chiodoni, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino,
S. Zannella and E. Mezzetti, Supercond. Scie. Technol., 16 (2003) 71
Visualizzazione di pattern: superconduttori
p
p
Film di superconduttore alta temperatura (YBCO)
F. Laviano, D. Botta, A. Chiodoni, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, and E. Mezzetti, Phys. Rev. B 68, 014507 (2003).
Distribuzione di supercorrente
p
Campione rettangolare di YBCO,
T= 4.13
T
4 13 K and μ0Happ= 117.3
117 3 mT
La supercorrente
p
scorre in
tutto il campione, ma
possiamo distinguere due
fasi: lo stato Meissner,
Meissner
caratterizzato da una
densità di corrente
decrescente verso il centro
e campo magnetico nullo; lo
stato critico, con densità di
corrente costante (critica) e
gradiente di vortici nucleati
dai bordi
Il pattern magnetico di superconduttori:
instabilità dendritica
instabilità dendritica
Superconduttore MgB2 film
Pattern magnetico irregolare causato dall’instabilità
termomagnetica dei vortici: formazione di dendriti
Magneto-ottica con campo applicato crescente
In collaborazione con C. Ferdeghini, V. Ferrando, INFM-LAMIA,
Dipartimento di Fisica, Università di Genova
Il pattern magnetico di superconduttori:
instabilità dendritica
instabilità dendritica
F. Laviano, D. Botta, C. Ferdeghini, V. Ferrando, L. Gozzelino and E. Mezzetti, in
“Magneto-Optical Imaging”, edited by T.H. Johansen and D.V. Shantsev, Kluwer
Academic Publishers (2004), 237
In collaborazione con C. Ferdeghini, V. Ferrando, INFM-LAMIA,
Dipartimento di Fisica, Università di Genova
Il pattern magnetico di superconduttori:
instabilità dendritica
instabilità dendritica
MOI Zoom
Simulatione
Simulazione dello sviluppo di un corallo
(courtesy of D. Shantsev, University of Oslo)
La diffusione dei vortici è
governata da interazioni
nonlineari ed a lungo
raggio:
complessità dei pattern
magnetici generati
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
Litografia a fascio ionico
A. Rovelli, A. Amato, D. Botta, A. Chiodoni, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, F. Laviano, B. Minetti,
and E. Mezzetti, Nucl. Instrum. Methods B 240 842 (2005)
Modulazione locale delle
proprietà
i tà strutturali
t tt li ed
d
elettriche di materiali
magnetici e
p
superconduttivi
((1))
(2)
(3)
(4)
Faradayy cup
p and collimator with a
pinhole micrometric aperture
sample holder with scintillating screen
and sample
linear stages
CCD camera.
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
• Microcanale con densità di corrente ridotta
• Posizione perpendicolare rispetto al flusso imperturbato
• Creazione di linee di discontinuità
p elettrico alle interfacce
• Focalizzazione del campo
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
a) T= 5.65 K and μ0Happ= 29.5 mT; b) T= 5.65 K and μ0Happ= 58.8 mT; c) T=
5.65 K and μ0Happ= 88 mT.
F. Laviano, R. Gerbaldo, G. Ghigo, L. Gozzelino, B. Minetti and E. Mezzetti, Journal of Novel Magnetism
and Superconductivity,
Superconductivity in press
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
*Th.
Th. Schuster et al., PRB 52 10375 (1995)
T= 5.65 K and μ0Happ
pp= 88 mT
Focalizzazione del campo magnetico (ed elettrico) alle
interfacce del microcanale
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
Esempio di pattern complesso: diffusione della sabbia
Processo di “saltazione”:
Interazione non lineare e a
g raggio
gg con il vento
lungo
Il pattern magnetico di superconduttori microstr tt rati
microstrutturati
YBCO microstrutturato con litografia
a fascio ionico. I vortici producono
p
scie e accumuli come la sabbia!
(a)
(b)
(c)
(d)
100 μm
Il pattern magnetico di eterostrutture
ferromagnete/s percond ttore
ferromagnete/superconduttore
YBCO/LSMO bi-layer:
bi l
eterostruttura
t
t tt
costituita
tit it d
da perovskite
kit fferromagnetica
ti con depositato
d
it t sopra film
fil
superconduttore. Il substrato contiene twin-boundaries, riprodotti nei film depositati
In collaborazione con Piotr Przyslupski e Andrzej Wisniewski,
Polish Academy off Sciences,
S
Institute off Physics, Poland
Il pattern magnetico di eterostrutture
ferromagnete/s percond ttore
ferromagnete/superconduttore
Pattern dei vortici che
diffondono all’interno del
superconduttore ed
i t
interagiscono
i
con i
domini del ferromagnete
μ0H||z = 3 mT
T = 4.2 K
40
4.0
3.5
DW
ΔBz (m
mT)
3.0
25
2.5
2.0
DW
1.5
1.0
.0
200 μm
-1
0 1
2
3
4
5
6
7
8 mT
ΔBz [(
[(μ
(μ0Ha = 3 mT)) – (μ0Ha = 0 mT)]
)
0
20
40
60
80 100 120 140
position (μm)
Il pattern magnetico di eterostrutture
ferromagnete/s percond ttore channeling
ferromagnete/superconduttore: channeling
T = 4.2 K
Twin boundaries longitudinali rispetto
alla
ll forza
f
di Lorentz
L
t
F. Laviano, L. Gozzelino, E. Mezzetti, P. Przyslupski, A. Tsarev, A. Wisniewski, Appl. Phys. Lett. 86,
152501 (2005)
So
Sommario
a o
• Il campo
p magnetico
g
fa p
parte delle forze fondamentali che g
governano la
natura
• La
L visualizzazione
i
li
i
d
dell campo magnetico
ti è di primaria
i
i iimportanza
t
per
la comprensione dei fenomeni fisici sia su scala macroscopica sia
microscopica
p
• Nei materiali ferromagnetici e superconduttivi, la distribuzione
magnetica
ti assume pattern
tt
complessi
l
i che
h rispecchiano
i
hi
lla non
uniformità della distribuzione di carica
• Tra le tecniche sviluppate per l’osservazione della distribuzione di
campo magnetico, la tecnica magneto-ottica è l’unica che consente di
vedere
d
lletteralmente
tt l
t il campo magnetico
ti con l’l’occhio
hi umano, con
risoluzione micrometrica, su un campo macroscopico
Ri
Ringraziamenti
i
ti
Gruppo Superconduttività Politecnico di Torino:
Enrica Mezzetti
Bruno Minetti
Roberto Gerbaldo
Gianluca Ghigo
Laura Gozzelino
Argonne National Laboratory:
Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica:
E. Helmut Brandt
Joachim Albrecht
Domenico Andreone
Giorgio Bertotti
Università di Bath:
Università di Napoli:
Università di Birmingham:
Claudio Serpico
Adrian Crisan
Wai K Kwok
Max Planck Institute:
Simon Bending
Polish Academy of Science:
Piotr Przyslupski
Andrzej Wisniewski
Università di Oslo:
Vitali Yurchenko
Daniel Shantsev
Grazie per l’attenzione!
Grazie per l
attenzione!