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Atualizada em: 15/07/2015 09:42:50

Módulo Mãos na Massa

Com a intenção de aproximar alunos de graduação da praxis da Física Experimental, a Escola do CBPF terá nessa edição um novo módulo chamado Mãos na Massa. A ideia é fazer uma imersão, durante uma semana, no dia-a-dia dos laboratórios do CBPF. 

Selecionamos 6 experimentos com considerável grau de complexidade, onde temas da Física contemporânea serão abordados e estudados por técnicas experimentais no estado da arte. Os temas abrangerão as diferentes áreas experimentais do CBPF, ou seja, Física de Altas Energias, Nanomagnetismo, Biofísica, Computação Quântica, Sistemas Fortemente Correlacionados e Física de Superfícies.

Os alunos se depararão, ao longo desta semana, com diferentes desafios inerentes ao cotidiano de um laboratório de pesquisa, como por exemplo: contextualização do problema a ser estudado, preparação de amostras, caracterização por técnicas sofisticadas, medida de grandezas físicas relacionadas ao assunto em questão e interpretação dos resultados obtidos.

Este módulo será realizado durante a segunda semana da Escola, sendo limitado a um grupo de 24 alunos (4 por experimento),  a serem selecionados dentre os aceitos para o módulo Graduação. Será dada prioridade aos alunos cursando os últimos períodos do curso de Graduação. Os interessados em participar do módulo Mãos na Massa devem preencher o formulário de inscrição apropriado na página da X Escola do CBPF.  Cada aluno participará de um único experimento, sem possibilidade de troca.

A organização e a dinâmica das atividades variam dependendo do experimento. De forma geral, aulas expositivas serão combinadas com a realização de uma série de experimentos, onde um problema específico deverá ser analisado de forma ampla e completa, considerando o período de uma semana. Contudo, será comum a todos os grupos  uma sessão de seminários de encerramento, onde cada grupo apresentará aos demais (por cerca de 30 min) um apanhado geral dos resultados e conclusões obtidos.

É importante ressaltar que esse módulo será bastante intenso, com atividades  em período integral (9:00 às 18:00).

 

Veja abaixo a relação dos cursos:

1) Estudo do movimento de bactérias magnéticas + Magnetorecepção em insetos sociais
(Eliane Wajnberg e Daniel Avalos)

Proposta do Curso “Estudo da magnetotaxia de bactérias magnéticas e da magnetorecepção  de insetos sociais”
Eliane Wajnberg e Daniel Acosta-Avalos
Resumo:
Neste curso serão estudados os fenômenos da magnetotaxia de bactérias magnéticas e a magnetorecepção de insetos sociais. No estudo da magnetotaxia serão utilizadas as técnicas de microscopia ótica e digital, a análise digital de vídeos através do programa ImageJ, a discussão dos modelos matemáticos envolvidos na análise do movimento de organismos magnéticos. No caso da magnetorecepção, o modelo usado será a formiga Solenopsis. Estudaremos a orientação magnética destas formigas em diferentes configurações de campo magnético e analisaremos a presença de material magnético no corpo destes insetos usando a Ressonância Ferromagnética.
Dia 1:
Manhã – Coleta de bactérias magnéticas na praia da Urca. Observação das mesmas nos microscópios ótico e digital.
Tarde – Filmagem do movimento das bactérias coletadas em campo magnético uniforme (análise do movimento) e em campo magnético oscilante (análise das voltas em U).
Dia 2:
Manhã – Análise dos filmes usando ImageJ e Origin para o caso do movimento em campo magnético constante. Discussão dos modelos.
Tarde – Comportamento de formigas Solenopsis na presença de campos magnéticos diferentes do campo geomagnético. Filmagens do movimento de orientação.
Dia3:
Manhã – Análise das filmagens. Coleta de dados de orientação. Análise estatística.
Tarde – Coleta de formigas. Separação das partes do corpo: antenas, cabeça e tórax.
Dia 4:
Manhã – Medidas de Ressonância Ferromagnética das partes do corpo
Tarde – Análise dos espectros de Ressonância Ferromagnética obtidos para cada parte do corpo da formiga
Dia 5:
Dia inteiro: Preparação de apresentação dos resultados

2) Técnicas Experimentais em Física de Altas Energias
(Andre Massafferri)

Expositivo (E), Hands-on (H), Demonstrativo (D)

Segunda-feira

- (E) Introdução Física Experimental de Altas Energias, Radioatividade, Raios cósmicos, Introdução a Aceleradores de partículas, história da instrumentação em detectores de partículas (manhã e tarde)

- (D) Gerador Van Der Graff, descargas no tube de Geissler, câmaras de nuvem, câmaras de faísca, emulsões nucleares (tarde)

Terça-feira

- (E) Noções de Eletrônica, padrões de sistema de aquisição de dados (NIM e VME), Trigger e transmissão dados (manhã)

- (H) Introdução aos módulos NIM com injeção sinais (manhã)

- (E) Interação da radiação com matéria (tarde)

Quarta-feira

- (E) detectores a gás, detectores de estado sólido, reconstrução de momento das partículas (manhã)

- (H) caracterização da eficiência de câmaras a fio em função da alta tensão. Medida de fluxo de múons cósmicos com câmaras a fio, discussão geométrica (tarde)

Quinta-feira

- (E) Cintiladores e detectores de fótons (manhã)

- (H) Caracterização de sensores Silicon Photo-Multiplier, Espectroscopia com cristais cintiladores e leitura Silicon-Photo-Multiplier (manhã)

- (H) Medida de fluxo de múons utilizando (a) cintilador plástico com leitura de Silicon Photo-Multiplier, (b) dois cintiladores plásticos com leitura Photo-Multiplier Tube, análise de fluxo de cósmicos em função da distância entre detectores, discussão da geometria e ensaio estatístico (tarde)

Sexta-feira

- Seminários dos alunos

3) Síntese e caracterização física de materiais monocristalinos
(Eduardo Bittar e Magda Fontes)

Síntese e caracterização física de materiais monocristalinos

Professores:
Dr. Eduardo Matzenbacher Bittar
Dra. Magda Bittencourt Fontes

Neste tutorial iremos desenvolver atividades teóricas e experimentais relacionadas a dois importantes fenômenos da Física da Matéria Condensada, especificamente, magnetismo e supercondutividade. Um material pode ser caracterizado magneticamente pela sua resposta à presença de um campo magnético, podendo apresentar comportamentos do tipo diamagnético, paramagnético, ferromagnético ou antiferromagnético, havendo grande interesse científico e tecnológico em cada um desses comportamentos. O estado supercondutor da matéria condensada é um exemplo de diamagnetismo, no qual a resposta do material a campos magnéticos externos é a expulsão desse campo, permitindo que imãs permanentes possam levitar sobre esses materiais.  Pelo fato desses materiais apresentarem resistência elétrica nula, equivalentemente condutividade elétrica infinita, são denominados supercondutores. Para estudar esses fenômenos, pesquisadores buscam investigar amostras na sua forma monocristalina, a qual é a mais ordenada. Desse modo, espera-se que os parâmetros extrínsecos, os quais podem ofuscar os fenômenos físicos intrínsecos a serem observados, sejam excluídos do processo de análise.
O primeiro passo no tutorial será a sintetize de monocristais, através do método do fluxo metálico, de um composto supercondutor e um férmion pesado que se ordena antiferromagneticamente, a saber, respectivamente, La3Co4Sn13 e CeIn3 (ver Fig. 1).



Fig. 1 – Monocristal do composto La3Co4Sn13.

            Como segundo passo, serão realizadas medidas de difração de raios x para caracterização estrutural das amostras obtidas. Em seguida, as propriedades magnéticas e de transporte dos compostos obtidos serão investigadas em função da temperatura (de 300 a 0.5 K). Nesta atividade os participantes terão contato com técnicas criogênicas.
Também iremos ilustrar outra técnica de síntese de monocristais, utilizando um forno de espelhos côncavos (forno de imagem). No qual é possível atingir temperaturas de até 2.200 ºC e obter materiais óxidos monocristalinos.

Cronograma:

 

Segunda
20/07

Terça
21/07

Quarta
22/07

Quinta
23/07

Sexta
24/07

Manhã [Atividades teóricas]

Aula I

Aula II

Aula III

Aula IV

Preparação da apresentação deste tutorial

 

Almoço

Almoço

Almoço

Almoço

Almoço

Tarde
[Atividades experimentais]

Síntese de monocristais

Difração de raios x
Calor específico

Propriedades magnéticas

Resistividade elétrica

Apresentações de todos tutorais

Bibliografia:
Introdução à Física do Estado Sólido. Autores: Ivan S. Oliveira e Vitor L. B. de Jesus. Editora: Livraria da Física (2011).

4) Nanomagnetismo - estudo das propriedades de sólitons magnéticos (vórtices e skyrmions)
(Flávio Garcia/Luiz Sampaio/ Alberto Passos/ João Paulo Sinnecker)

Tutorial de nanomagnetismo

Introdução:
Nos últimos anos, muita atenção vem sendo dada ao estudo dos materiais magnéticos nano-estruturados, o nanomagnetismo. A grande atualidade deste assunto reside igualmente em aspectos fundamentais e tecnológicos. As novas ferramentas de fabricação e análise de sistemas cujas dimensões são da ordem de dezenas de nanometros, descortinou um novo mundo e uma série de novos efeitos e potencias aplicações surgiram. Dentre as vertentes, aquela que chama mais atenção é a spintrônica, ou seja, o análogo a eletrônica que conhecemos, porém, no lugar do protagonista ser apenas a carga elétrica, a spintrônica tem como peça fundamental o spin do elétron. Neste contexto, sistemas que se encontram em evidência são os sólitons magnéticos, tais como os vórtices e os skyrmions.

Este tutorial será dedicado ao estudo de vórtices magnéticos. Nestes sistemas a configuração magnética é tal que os momentos magnéticos são confinados ao plano e tangenciais a círculos concêntricos. O sentido de rotação destes momentos define uma das características fundamentais do vórtice, que é sua circulação, podendo ser horária ou anti-horária.  No centro do vórtice existe uma singularidade, onde a magnetização é ortogonal ao plano, e chamada núcleo do vórtice. Do núcleo emerge uma segunda característica do vórtice, que é sua polaridade, associada ao sentido de sua magnetização, para cima ou para baixo. A combinação destes duas quantidades (circulação e polaridade) impõe ao vórtice quatro estados degenerados. Esta configuração peculiar de momentos magnéticos é imposta, principalmente, pela competição entre dois termos importantes de energia, a magnetostática e a de troca. Diversas aplicações de vórtices magnéticos no contexto da spintrônica vêm sendo aventadas, tais como memórias lógicas, nano-osciladores, em biomedicina, dentre outras. Contudo, para que o efetivo emprego destes sistemas em dispositivos spintrônicos se torne uma realidade, existe a necessidade de melhor entendermos os processos físicos envolvidos na formação, estabilização e dinâmica dos vórtices.

 

Caixa de texto: Figura 1: Simulação micromagnética de um vórtice. A magnetização forma círculos concêntricos com os momentos orientados no sentido horário, e no centro aponta para fora do plano apontando para cima.

 

Objetivo:
Fazer com que alunos, do final da graduação, tenham um primeiro contato com o nanomagnetismo e com a spintrônica, assim como com técnicas experimentais avançadas de nanofabricação, caracterização e modelagem de nanoestruturas magnéticas. Para isso, será apresentado um problema de interesse atual, mais objetivamente, o estudo das propriedades de vórtices magnéticos.
Para que este objetivo seja atingido, metas deverão ser alcançadas ao logo da semana. Estas são:

  • Modelagem micromagnética
    • Simulação micromagnética

 

  • Fabricação das nanoestruturas magnéticas
    • Laboratório de superficies
      • Deposição por sputtering
    • Laboratório de raios-X
      • Refletometria de raios-X
    • LabNano
      • Sala limpa
      • Litrografia eletrônica


  • Caracterização magnética dos sistemas
    • Laboratório de Magnetismo
      • PPMS
    • Laboratório de magneto-óptica
      • Efeito Kerr focalizado
    • Laboratório de Campo Próximo
      • AFM e MFM
    • Laboratório de microscopia eletrônica
      • Micorscopia Lorentz

Cronograma

Hora\Dia

Seg
20/07

Ter
21/07

Qua
22/07

Qui
23/07

Sex
24/07

09:00-12:00

Aula I

Sup II + LRX

eLine II + Sup. III

Aula IV

Livre

12:00-13:00

Almoço

Almoço

Almoço

Almoço

Almoço

13:00-15:00

Aula II + Sim I

Aula III

eLine III

MOKE + PPMS

Apresentações

15:00-15:30

Break

Break

Break

Break

Break

15:30-18:00

Sim II + Sup I

SL I

Sup IV + SL II + eLine IV

LTEM + MFM

Apresentações

                                                                                                              
Bibliografia

  • A.P. Guimarães. The Principles of Nanomagnetism. Springer, Berlin, 2009.
  • T. Shinjo, T. Okuno, R. Hassdorf, K. Shigeto, and T. Ono. Magnetic vortex core observation in circular dots of permalloy. Science, 289(5481):930–932, 2000.
  • C. L. Chien, Frank Q. Zhu, and Jian-Gang Zhu. Patterned nanomagnets. Physics Today, June, 40, 2007.

 

Aula Expositiva I (Aula I)
Nanomagnetismo
Vórtices magnéticos, teoria e aplicações
Aspectos estáticos – diagramas de fase
Aspectos dinâmicos – ciclos de histerese e movimento girotrópico
Técnicas experimentais de preparação – Sputtering, Raios-X etc..

Aula Expositiva II (Aula II)
Micromagnetismo
Equação LLG
MuMax e exemplos

Simulação Micromagnética I (Sim I)
Uso do MuMax, conceitos gerais de programação Go
Exemplos

Simulação Micromagnética II (Sim II)
Exercício – Definição dos parâmetros dos sistema – forma, espessura e dimensões.

Laboratório de Superfície I (Sup I)
Preparação do sputtering – troca de alvo, limpeza, vácuo etc.

Laboratório de Superfície II (Sup II)
Deposição do filme de calibração

Laboratório de Raios-X (LRX)
Determinação da espessura por refletometria de raios-X

Aula Expositiva III (Aula III)
Litografia – Técnicas de litografia, óptica e feixes de elétrons, microscopia eletrônica, sala limpa, processos e técnicas etc..

Sala Limpa I (SL I)
Preparação do substrato (SiO2 e membranas de Si2N3) – limpeza, deposição de resiste etc..

eLine II (eLIne II)
Teste de dose, inspeção das amostras etc..

Laboratório de Superfícies III (Sup III)
Deposição de filmes para inspeção

eLine III (eLine III)
Programação dos padrões a ser litografados, exposição dos padrões dados os parâmetros definidos pela simulação micromagnética.

Laboratório de Superfícies IV (Sup IV)
Deposição otimizada do filme magnético a ser analisado.

eLine IV (eLine IV)
Inspeção das estruturas depositadas.

Sala Limpa II (SL II)
Revelação, lift-off etc.. 

Aula expositiva IV (Aula IV)
Técnicas de caracterização magnética – VSM, SQUID, XMCD, MOKE etc...
Microscopia eletrônica e microscopia Lorentz
Microscopia de força atômica e magnética (AFM e MFM)
A idéia é mostrar as vantagens e desvantagens de cada técnica. Para isso compararemos resultados de MFM capaz de medir o núcleo e sua polarização, com LTEM capaz de medir circulação, assim com a comparação de ciclos obtidos pelo PPMS, onde todo um arranjo de nanoestruturas é necessário com MOKE focalizado, onde é medido só um disco individualmente.

Laboratório de Magneto-Óptica (MOKE)
Usando o MOKE focalizado, obter um ciclos de histereses de nano estruturas individuais e relacioná-los entre si para se ter uma idéia da não homogeneidade dos discos.

Laboratório de Magnetismo (PPMS)
Usando o magnetômetro de amostras vibrante (PPMS) medir um ciclo de histerese de um arranjo de discos.

 

Microscopia de Força Magnética (MFM)
Utilizando microscopia de força magnética tentar visualizar o núcleo do vórtice e sua polaridade e ao aplicar campo magnético, estudar o efeito do campo sobre o núcleo e, com o auxílio da simulação, interpretar os ciclos de histerese obtidos, tanto por MOKE focalizado quanto por VSM.

Microscopia Eletrônica de Transmissão na Configuração Lorentz (LTEM)
Por meio de Microscopia Lorentz identificar a circulação dos vórtices e como o campo magnético a afeta.

5) Experimentos de Informação Quântica via RMN
(Roberto Sarthour e Alexandre Souza)

Experimentos de Informação Quântica via RMN

Alexandre M. Souza e Roberto S. Sarthour

 

De acordo com a teoria da Mecânica Quântica, para descrever corretamente um sistema quântico  e seus processos devemos utilizar o espaço de Hilbert. Este espaço hipotético cresce exponencialmente com o número de partículas presentes no sistema. Por exemplo, este deve ter a dimensão 2x2 (matrizes) para um simples sistema de dois níveis, como no caso de partículas com spin S = 1/2. Para um sistema contendo n partículas deste tipo este espaço deve ter 2nx2n.  Ou seja, para um sistema contendo 10 partículas de spin S = 1/2, devemos trabalhar com matrizes complexas de 1024x1024. Por isso, somente um computador, ou sistema, com características quânticas pode simular de maneira eficiente um sistema quântico contendo várias partículas. Esta foi a ideia percussora que fez surgir a área de Informação Quântica.

A Ressonância Magnética Nuclear é um técnica experimental, conhecida por décadas e com diversas aplicações, foi pioneira na implementação experimental de diversos algoritmos e protocolos quânticos. Esta tem sido aplicada com sucesso em diversas simulações experimentais de sistemas quânticos e também na implementação de vários protocolos quânticos. 

Neste curso, faremos uma pequena introdução à RMN e também à alguns aspectos da teoria de Informação Quântica. Os alunos farão alguns experimentos de RMN que permitem a manipulação da informação quântica armazenada nos spins nucleares.  

Aula 1: Introdução à RMN no contexto da Informação Quântica. Aspectos experimentais do espectrômetro de RMN do CBPF.

Aula 2: Caracterização experimental de um sistema quântico, através da técnica de Tomografia de Estado Quântico. Preparação de estados. Implementação experimental de chaves lógicas quânticas.

Alua 3: Simulações de alguns sistemas quânticos, tais como cadeias de spins com interações do tipo Ising e também Heisenberg, através da RMN.

Aula 4: Implementação Experimental dos Algoritmos de Deutsch e Grover.

6) Análise de Superfícies por Microscopia de Ponta de Prova e Espectroscopia de Elétrons
(Fernando Stavale)

Tutorial:
Análise de Superfícies por Microscopia de Ponta de Prova (AFM) e Espectroscopia de Elétrons (XPS e AES).

Introdução:
Nanoestruturas, na forma de filmes finos e nanopartículas são genuinamente de grande importância tecnológica devido ao seu amplo número de aplicações em catálise, fotônica, magnetismo e mais recentemente na entrega seletiva de medicamentos em organismos vivos. Aplicações proeminentes desses materiais na vida cotidiana ocorre, por exemplo, em sensores de gases que permitem a detecção de moléculas com base em transistores óxido-metal-semicondutor (MOSFET). Em tais dispositivos pequenos modulações da condutância na superfície do dispositivo modifica criticamente as características elétricas monitoradas. Assim, é fácil imaginar que o desempenho desses dispositivos, como durabilidade e sensibilidade dependa fortemente das características químicas da superfície, como estequiometria, fase cristalográfica  e estrutura eletrônica do óxido metálico. Portanto, esses dispositivos podem ser modificados e aperfeiçoados selecionando adequadamente nanopartículas depositadas sobre este, pois estas possuem uma densidade de sítios reativos significativamente maior quanto comparadas a seus pares macroscópicos.

Este tutorial será dedicado ao estudo do crescimento e caracterização química e morfológica de nanoaglomerados depositados sobre substratos cristalinos. Nestes sistemas, os modos de crescimento de filmes finos e a formação de nanocristalinos é tal que as propriedades funcionais da superfície depende fortemente da interação depósito-substrato. As energias livre de superfície do materiais envolvidos,  determina as característica morfológica do sistema e o mecânismo de adsorção a química da interface. Diversas aplicações tecnológicas desse mecânismo, de nucleação e crescimento de nanoestruturas, serão discutidas neste tutotial do ponto de vista teórico e esses modelos verificados experimentalmente a partir de experimentos utilizando técnica sensíveis a superfície dos materiais.


Fig 1 - Imagem de Microscopia de Tunelamento (200nm2 e inferior no canto 30nm2) de nanoaglomerados de ouro sobre filme fino de ZnO.

 

 

 

Objetivo:
Estimular o ingresso de alunos de graduação em programas de pós-graduação em nanociências, através do contato com fundamentos teóricos e técnicas experimentais essenciais a utilização de novos tecnologias, particularmente, no que se refere nanotecnologias. O curso é essencialmente focado em materiais, seja em física ou química de materiais, no entando os fundamentos abordados são de suma importânica a compreensão de resultados envolvendo outros campos como biologia ou química molecular. No curso será apresentado:

  • Fundamentos teóricos e práticos

Laboratório e técnicas envolvidos:

    • Aula expositiva, discussões sobre os resultados obtidos e propostas de novos experimentos
  • Crescimento e caracterização de nanoestruturas

Laboratório e técnicas envolvidos:

    • Laboratório de superfícies
      • Caracterização química de superfícies (composição, segregação de fases e modos de cresccimento de filmes)
    • Laboratório de Nanoscopia
      • Morfologia
      • Propriedades químicas, mecânicas e magnéticas locais

 

Cronograma

Hora\Dia

Seg
20/07

Ter
21/07

Qua
22/07

Qui
23/07

Sex
24/07

09:00-12:00

Aula I

EXP II

EXP III

EXP IV

Livre

12:00-13:00

Almoço

Almoço

Almoço

Almoço

Almoço

13:00-15:00

Aula II

EXP II

Aula III

EXP IV

Apresentações

15:00-15:30

Break

Break

Break

Break

Break

15:30-18:00

EXP I

EXP III

EXP IV

MFM

Apresentações

                                                                                                              
Bibliografia

F. Bechstedt, Principles of Surface Physics, Springer (2003).

M. Ohring, Materials Science of Thin Films, Academic Press (2001).

  • F. Stavale, L. Pascua, N. Nilius, H.-J. Freund, J. Phys. Chem. C, 117, 10552 (2013).
  • F. Stavale, L. Pascua, N. Nilius, H.-J. Freund, J. Phys. Chem. C, 118 (2014).

Aula Expositiva I (Aula I)
Introdução a Física de Superfícies e Filmes Finos
Sistemas de Vácuo
Cristalografia de Superfícies
Termodinâmica de Superfícies
Crescimento de Filmes

Aula Expositiva II (Aula II)
Crescimento de Filmes e Preparacao de Superfícies
Técnicas de Caracterização: Espectroscopia de Elétrons (XPS e AES)

Aula Expositiva III (Aula III)
Técnicas de Caracterização: Microscopia de Ponta de Prova (AFM e MFM)

Laboratório de Superfícies I (EXP I)
Sistemas de vácuo
Introdução de amostras
Espectroscopia de Foto-elétrons de Raios-X (XPS)
Espectroscopia de Elétrons Auger (AES)

Laboratório de Superfícies II (EXP II)
Limpeza de substratos in-situ – sputtering e tratamento térmico
Espectroscopia de Foto-elétrons de Raios-X (XPS)
Espectroscopia de Elétrons Auger (AES)

Laboratório de Superfícies II (EXP III)
Crescimento de filmes e nanoaglomerados in-situ – evaporação térmica
Espectroscopia de Foto-elétrons de Raios-X (XPS)
Espectroscopia de Elétrons Auger (AES)

Laboratório de Nanoscopia (EXP IV)
Introdução a microscopia de ponta de prova
Modos de operação do AFM
Topografia dos filmes e nanoaglomerados depositados

Microscopia de Força Magnética (MFM)
Aula em conjunto com o curso de Nanomagnetismo na visualização de vortícies magnéticos por microscopia de ponta de prova.