Propriedades de equilíbrio e de transporte da matéria de vórtices em nanoestruturas supercondutoras

Abstract

Nesta tese, estudamos teoricamente os aspectos dinâmicos e de equilíbrio da matéria de vórtices em duas classes de supercondutores nano estruturados: (i) amostras mesoscópicas, cujas dimensões são comparáveis aos comprimentos caráter ísticos do vórtice; e (ii) amostras com uma rede regular de armadilhas artificiais. Em ambos os casos, a simetria da rede de vórtices ´e extremamente dependente dos parâmetros espaciais da amostra, de modo que as propriedades da rede de vórtices podem ser controladas artificialmente. A nucleação de vórtices em filmes mesoscópicos e subseqüentes formações estruturais, à medida que um campo externo é variado foram simuladas por um algoritmo de dinâmica de Langevin. A estrutura dos vórtices e suas interações foram calculadas resolvendo a equação de London com as condições de contorno apropriadas. Mesmo na ausência de nao-homogeneidades, que, em geral, previnem ou retardam o movimento dos vórtices, o ciclo de magnetização calculado para estas amostras apresenta histerese. Isso resulta da forte barreira de superfície que retarda a entrada e a saída dos vórtices gerando estados metaestáveis profundos. Além disso, as curvas de magnetização de filmes de diferentes espessuras apresentam oscilações que indicam transições estruturais envolvendo a criação ou destruição de uma cadeia de vórtices. Usando um processo de minimização de Monte Carlo, calculamos o estado fundamental da rede de vórtices em filmes supercondutores com uma rede quadrada de poços de potencial. As propriedades elásticas da rede de vórtices foram estudadas no regime linear. Desenvolvemos um modelo simples que nos permitiu obter expressões analíticas para a resposta da rede de vórtices a uma pequena 8 excitação ac. Deste modelo, resulta que o espectro de freqüências ´e determinado por duas freqüências características: a freqüência de acoplamento entre os vórtices e as armadilhas e a freqüência de acoplamento entre os vórtices aprisionados e os vórtices intersticiais. O regime de validade do modelo foi estudado através de simulações de dinâmica molecular. Estudamos também as propriedades de transporte de vórtices através deste potencial periódico. Desenvolvemos um modelo perturbativo para calcular curvas características de voltagem versus corrente. Estudamos algumas fases dinâmicas em função da corrente (intensidade e direção) e da temperatura através deste modelo. Mostramos que a quebra de simetria rotacional provocada pelo potencial periódico gera uma resposta altamente anisotrópica do movimento dos vórtices. Calculamos ainda a temperatura em que o estado desordenado do movimento dos vórtices em correntes baixas cristaliza em uma rede elástica. A temperatura de cristalização que encontramos escala com o inverso do quadrado da velocidade do centro de massa, em contraste com a conhecida lei do inverso da velocidade encontrada para o movimento de vórtices em um potencial aleatório