Bolsa de PD em Física da Matéria Condensada

Post-doctoral Fellowship in Condensed Matter Physics

Nº: 2959

Área de conhecimento: Física

Field of knowledge: Physics

Nº do processo FAPESP: 2017/10581-1

FAPESP process: 2017/10581-1

Título do projeto: Síntese e caracterização de nanofios de férmions pesados supercondutores da família CeMnIn3n+2 (M = Co, Rh, In; n = 0,1)

Project title: Synthesis and characterization of superconducting heavy fermion nanowires of the CeMnIn3n+2 (M = Co, Rh, In; n = 0,1) series

Área de atuação: Física da Matéria Condensada - Experimental

Working area: Condensed Matter Physics - Experimental

Quantidade de vagas: 1

Number of places: 1

Início: 01/09/2019

Start: 2019-09-01

Pesquisador principal: Pascoal José Giglio Pagliuso

Principal investigator: Pascoal José Giglio Pagliuso

Unidade/Instituição: IFGW-Unicamp

Unit/Instituition: IFGW-Unicamp

Data limite para inscrições: 01/08/2019

Deadline for submissions: 2019-08-01

Publicado em: 18/06/2019

Publishing date: 2019-06-18

Localização: R. Sérgio Buarque de Holanda, 777 - Cidade Universitária, Campinas

Locale: R. Sérgio Buarque de Holanda, 777 - Cidade Universitária, Campinas

E-mail para inscrições: pagliuso@ifi.unicamp.br

E-mail for proposal submission: pagliuso@ifi.unicamp.br

  • Resumo Summary

    Neste projeto estamos propondo a síntese de novos compostos intermetálicos na forma de nanofios de férmions pesados supercondutores da família CeMnIn3n+2 (M = Co, Rh, In; n = 0,1). A síntese desse fará uso da tecnologia de produção de nanofios Nanonucleação por fluxo metálico – NNFM (Patente - INPI - BR 10 2014 019794 0 e patente internacional em progresso # WO2016023089 desenvolvida pelos pesquisadores dos grupos da Unicamp GPOMS/LMBT [parceria liderada pelos Profs. Pascoal G. Pagliuso e Kleber R. Pirota] em 2014 para a produção de nanofios [diâmetros entre 15 e 500 nm e comprimento típico de 1 micron]).

    O estudo das propriedades eletrônicas, estruturais, magnéticas, de transporte e termodinâmicas desses sistemas será realizado em detalhe, usando como parâmetros de controle a dimensionalidade (e.g. diâmetros dos nanofios), campos magnéticos (≤ 14 T), altas pressões (≤ 30 kbar) e baixas temperaturas (≥ 50 mK). Para este fim, serão realizados experimentos de propriedades mais globais tais como resistividade, efeito Hall, magnetização, susceptibilidade magnética dc/ac, e calor específico. Posteriormente, amostras selecionadas serão investigadas por técnicas mais específicas tais como ressonância de spin eletrônico (ESR) (colaboração com Prof. Carlos Rettori), ressonância magnética e quadrupolar Nuclear (NMR e NQR) (colaboração com Prof. Ricardo R. Urbano), espalhamento Raman (colaboração com Prof. E. Granado), difração de pó, difração magnética, análise elementar (EDS, WDS), absorção de raios-X (XANES, EXAFS, XMCD) (colaboração com Prof. E. Granado) e ARPES (colaboração com Profª C. Adriano)

    Introdução 

    A área de desenvolvimento de novos materiais é uma área estratégica na execução de projetos científicos e tecnológicos de excelência nas mais variadas subáreas da Ciência. Em particular, dentro da Física da Matéria Condensada, a área de novos materiais segue em paralelo ao aprofundamento do entendimento de propriedades complexas de materiais avançados que apresentam fenômenos coletivos envolvendo elétrons fortemente correlacionados. Esses fenômenos são fortemente dependentes da dimensionalidade e ocorrem em materiais supercondutores não convencionais, sistemas tipos férmions pesados com criticalidade quântica, materiais intermetálicos magnéticos à base de terras-raras em sistemas com topológica não-trivial, etc.

    No caso dos férmios pesados (HF), a série de HF supercondutores CeMIn5 (M = Rh, Ir, Co) tem sido foco de intensa investigação científica [1-8]. Esses compostos, chamados de 1-1-5, podem ser vistos como variantes tetragonais dos compostos cúbicos CeIn3. A estrutura cristalina dos CeMIn5 apresenta camadas alternadas de Ce-In3 e M-In2 ao longo do eixo-c [6-8].

    Um aspecto extremamente importante dos férmions pesados da família CemMIn3m+2 é o fato de que o seu estado fundamental pode variar desde antiferromagnético a supercondutor dependendo da variação de parâmetros de controle tais como a pressão e a dopagem, Este é o caso do composto CeRhIn5 (γ ~ 400 mJ/mol K2), que se ordena antiferromagneticamente à pressão ambiente com TN = 3.8 K e exibe uma evolução ao estado supercondutor para P > Pc = 16 kbar, com Tc ~ 2 K [9].

    Além das propriedades acima no composto estequiométrico CeRhIn5, estudos [10] de dopagem nas ligas de CeRh1-x(Ir,Co)xIn5 revelaram as amplas regiões de coexistência de AFM e SC e a robustez do estado supercondutor à dopagem são surpreendentes para esta classe de materiais. De fato, esses materiais são considerados uma plataforma excelente para o estudo dos mecanismos da supercondutividade não convencional com forte elo de ligação com as propriedades dos supercondutores à base de Fe e os cupratos supercondutores de alta temperatura crítica.

    O estudo comparativo das famílias dos 1-1-5 e 1-0-3 (n = 0) no caso volumétrico tem permitido a investigação do papel da dimensionalidade nesses compostos, uma vez o composto cúbico 1-0-3 é mais 3D que os compostos mais “bidimensionais” 1-1-5. O que se observou é que o AFM é favorecido para os materiais mais 3D enquanto a supercondutividade não-convencional gerada pelas flutuações magnéticas tende a ser favorecida nas estruturas mais 2D.

    Nesse aspecto, o estudo do papel da dimensionalidade nos fenômenos emergentes presentes nesses sistemas ganhou nova perspectiva com o desenvolvimento do método NNFM.

    A partir dos resultados obtidos em amostras monocristalinas (sistemas massivos tridimensionais, 3-D), neste projeto propomos estender esta análise a sistemas de nanofios (sistemas unidimensionais, 1-D), abrindo novos caminhos para o estudo do papel da baixa dimensionalidade nas propriedades físicas.

    Devido à flexibilidade dos compostos RIn3 e CeMIn5 que permitem dopagem ou substituição nos diferentes sítios cristalográficos, estes sistemas são uma excelente oportunidade para estudar em forma sistemática o efeito da dimensionalidade nas interações RKKY, no efeito Kondo, na criticalidade quântica e, particularmente, obter um melhor entendimento da inter-relação entre magnetismo e supercondutividade não convencional em sistemas de férmions pesados.

    Além da comparação das propriedades físicas entre os mesmos sistemas fabricados com dimensionalidade 1-D e 3-D, será de grande interesse a comparação entre os comportamentos dos nanofios similares dos sistemas cúbicos 1-0-3 e dos sistemas 1-1-5, no qual, mesmo nos sistemas 3-D, a estrutura cristalográfica em camadas “bidimensionais” conduz a uma necessidade de uma generalização do modelo de uma rede de Kondo, na presença de efeitos de CEF e interação RKKY, para descrever o comportamento geral do sistema. 

    Objetivo Específico 

    Usar a técnica de NNMF para sintetizar nanofios dos compostos da família de férmios pesados supercondutores CeIn3 e CeMIn5 (M = co, Rh, Ir) e R2MIn8 e explorar os efeitos da dimensionalidade nas interações RKKY, nos efeitos de CEF, no efeito Kondo e na supercondutividade. Os efeitos de dimensionalidade dependem muito dos comprimentos de correlação característicos de cada uma dessas interações presentes nestes materiais intermetálicos. 

    Plano de trabalho, desafios e métodos 

    A síntese de nanofios novos compostos intermetálicos se derá pela pela técnica NNFM (Patente - INPI - BR 10 2014 019794 0 e patente internacional em progresso # WO2016023089 A1) amplamente dominadas pelos grupos deste temático.

    Em seguida as amostras serão analisadas por difração de raios-x (Philips PW 1749 e D2 – Phaser – Bruker), técnicas de microscopia (TEM – SEM LabNano – CNPEM) e análise elementar (EDS [LabNano - CNEPM] e WDS [S8 – Tiger Bruker –GPOMS]) para confirmar a estrutura cristalina, morfologia e estequiometria das amostras produzidas. A partir daí segue-se a caracterização das propriedades físicas das amostras usando-se técnicas macroscópicas de medidas tais como calor específico, resistividade elétrica e susceptibilidade magnética.

    Experimentos de resistividade elétricas AC e DC (e efeito Hall) são realizados utilizando-se as plataformas comerciais PPMS-14T e PPMS-9T pertencentes aos grupos deste temático com campo magnético aplicado até 14 T e no intervalo de temperaturas de 0.3 K – 300 K e utilizando-se células de pressão comercias (easylab – Pistão e Diamante) que atingem até 9 GPa. Os experimentos de calor específico também serão realizados nas plataformas comerciais PPMS-14T e PPMS-9T com campo magnético aplicado até 14 T e no intervalo de temperaturas de 0.05 K – 300 K, com o uso da opção com o refrigerador de diluição.

    Já os experimentos de susceptibilidade magnética AC/DC serão realizados nas plataformas PPMS 14T (opção VSM - DC), na plataforma PPMS 9T (opção ACMS AC/DC) e no novo magnetômetro SQUID-VMS solicitado neste temático e que é crucial para o desenvolvimento deste projeto devido a sua maior sensibilidade

    Esperamos inicialmente concentrar-nos na síntese de nanofios da série CeIn3 para diâmetros de 200 nm e 75 nm. Estamos convencidos que é possível, portanto, expandir o crescimento para outras terras-raras e para outras famílias 1-1-5 e também diminuir o diâmetro dos nanofios.

    As membranas com os nanofios são extraídas dos cadinhos e estudadas por TEM, EDS, medidas de susceptibilidade, calor específico e difração de raios-x de pó, utilizando-se medidas apropriadas do background de Al2O3 em cada caso. Ainda é um desafio muito grande isolar um único nanofio realizar medidas de transporte. O desenvolvimento desta técnica também será objeto deste temático em colaboração com o grupo LMBT e Centro de Componentes Semicondutores e Nanotecnologias – Unicamp e o Centro de Nanotecnologia do LANL (Novo México, EUA). 

    Resultados Esperados 

    Com respeito aos nanofios dos sistemas HF, esperamos encontrar uma forte dependência nas propriedades de transporte, magnéticas e supercondutoras com a dimensionalidade dos sistemas. Em particular, a partir dos nossos estudos, esperamos poder construir os diagramas de fases para os sistemas quase 1-D que nos permitam inferir detalhes da interação microscópica entre os elétrons localizados e os elétrons de condução, e suas correlações com as fases ordenadas sob efeitos de dimensões reduzidas.

    Por fim, muitos artigos publicados devem decorrer desses estudos e o pós-doutor responsável por este projeto deve interagir cientificamente com os pesquisadores colaboradores deste projeto certamente que irão se beneficiar das amostras produzidas e do conhecimento científico construído de forma organizada e colaborativa entre todos os participantes.

    A vaga está aberta a brasileiros e estrangeiros. O selecionado receberá Bolsa de Pós-Doutorado da FAPESP no valor de R$ 7.373,10 mensais e Reserva Técnica equivalente a 15% do valor anual da bolsa para atender a despesas imprevistas e diretamente relacionadas à atividade de pesquisa.


     

    Referências

    [1] S. Doniach, in Valence Instabilities and Related Narrow Band Phenomena, ed. R.D. Parks (Plenum, New York, 1977) p.169.
    [2] G.R. Stewart, Reviews of Modern Physics 73 (4): 797-855 OCT 2001.
    [3] M.A.Continentino, Physical Review B. 47 11587 (1993).
    [4] Robert H. Heffer and Michael R. Normal, Comments on Condensed Matters Physics 17, 361 (1996).
    [5] N. D. Mathur et al., Nature 394 (6688): 39-43 (1998).
    [6] H. Hegger et al., Physical Review Letters 84, 4986-9 (2000).
    [7] C. Petrovic et al., Europhysics Letters 53 354-359 (2001).
    [8] C. Petrovic et al., Journal of Physics: Condensed Matter 13 L337 (2001). 

    In this project we are proposing the synthesis of new intemetallic compounds in the form of superconducting heavy fermion nanowires of the CeMnIn3n+2 (M = Co, Rh, In; n = 0,1) series. Their growth will be achieved through nanowire production technology Metallic-Flux Nanonucleation – MFNN (Patent - INPI - BR 10 2014 019794 0 and international patent in progress # WO2016023089 developed by researchers from groups GPOMS/LMBT at the University of Campinas – UNICAMP  [partnership led by Profs. Pascoal G. Pagliuso and Kleber R. Pirota] in 2014 for metallic nanowire production (diameters between 15 - 500 nm and average length of 1 μm).

    The electronic, structural, magnetic, transport and thermodynamic properties of this kind of materials will be thoroughly investigated, keeping the nanowires’ dimensionality (e.g. diameter), magnetic fields (≤ 14 T), high pressures (≤ 30 kbar) and low temperatures (≥ 50 mK) as control parameters. For this purpose, experiments aiming to explore macroscopic properties such as electric resistivity, Hall effect, magnetization, dc/ac magnetic susceptibility, and specific heat. Subsequently, selected samples will be studied through microscopic techniques, for instance electronic spin resonance (ESR) (in collaboration with Prof. Carlos Rettori), Nuclear Magnetic and Quadrupolar resonances (NMR / NQR) (in collaboration with Prof. Ricardo R. Urbano), Raman scattering (in collaboration with Prof. E. Granado), powder diffraction, magnetic diffraction, elemental analysis (EDS, WDS), X-ray absorption (XANES, EXAFS, XMCD) (in collaboration with Prof. E. Granado) and ARPES (in collaboration with Profa. C. Adriano).

    Introduction 

    The engineering of new materials is a strategic area in the execution of scientific and technologic projects of excellence in the most diverse Science sub-areas. Particularly concerning Condensed Matter Physics, new materials development evolves parallel to the widening of the understanding of complex properties in advanced materials that can present collective phenomena involving strongly correlated electrons. These phenomena are strongly dependent of the dimensionality and occur in unconventional superconducting materials, heavy fermion systems presenting quantum criticality, Rare-Earth based intermetallic magnetic materials in non-trivial topology systems, etc.

    In the case of heavy fermion materials, (HF), the superconducting HF series CeMIn5 (M = Rh, Ir, Co) has been in the spotlight of intense scientific investigation [1-8]. These so-called 1-1-5 compounds might be seen as tetragonal variants of the cubic compounds CeIn3. The crystalline structure of CeMIn5 presents itself as alternated layers of Ce-In3 and M-In2 along the c-axis [6-8].

    An extremely important aspect of the heavy fermions of the CemMIn3m+2 family is the fact that its ground state may vary from antiferromagnetic to superconductive as a function of control parameter’s tuning, such as pressure and doping. That is the case of CeRhIn5 (γ ~ 400 mJ/mol K2), which orders antiferromagnetically at ambient pressure with TN = 3.8 K and exhibits an evolution towards a superconductive state for P > Pc = 16 kbar, with Tc ~ 2 K [9].

    Besides the above mentioned properties of the stoichiometric CeRhIn5, doping studies [10] in the CeRh1-x(Ir,Co)xIn5 alloys revealed broad coexistence regions of AFM e SC and the robustness of the SC state to chemical substitutions is surprising to be found in this class of materials. Indeed, these materials are an excellent playground to investigate the mechanisms of unconventional superconductivity that is strongly linked to the properties of iron-based superconductors of high critical temperature.

    The comparative studies of the 1-1-5 and 1-0-3 (n = 0) series in bulk morphology has allowed the investigation of the dimensionality role in these compounds, since the cubic 1-0-3 is more 3D than the more “bidimensional” 1-1-5 compounds. It has been observed that AFM is favored for the higher dimensional materials, while unconventional SC mediated by magnetic fluctuations is usually favored in 2D structures. From this perspective, the study of the role of dimensionality in the emergent phenomena in these systems could have a new breakthrough with the development of the MFNN technology.

    From the obtained results in single crystalline samples (massive tridimensional systems), in this project we propose to extend this analysis to nanowire systems (unidimensional systems), broadening the perspective for studying the role of low dimensionality in physical properties of correlated systems.

    Owing to the flexibility of RIn3 and CeMIn5 compounds, which allow doping or substitution in different crystallographic sites, these systems are an excellent opportunity to study systematically the dimensionality effect over RKKY interactions, Kondo effect, quantum criticality and particularly obtain a better understanding of the interplay between magnetism and unconventional superconductivity in HF systems.

    Beyond the comparison of physical properties of the same 1-D and 3-D systems, it will be of great interest the comparison between the behavior of similar nanowires of the cubic 1-0-3 and 1-1-5 systems, where even in bulk form, the layered bidimensional crystalline structure leads to a generalization of the Kondo lattice model, in the presence of CEF effects and RKKY interaction, to describe the general properties of the system. 

    Specific objective 

    We plan on using the MFNN technique to synthesize intermetallic nanowires of the superconducting heavy fermion family CeIn3, CeMIn5 (M = co, Rh, Ir) and R2MIn8 as well as explore dimensionality effects in RKKY interactions, CEF and Kondo effects, and unconventional superconductivity. The dimensionality effects are strongly dependent upon the characteristic correlation lengths of each of those interactions occuring on those intermetallic materials. 

    Workplan, methods and challenges 

    The growth of new nanowires of novel intermetallic compounds is going to be through the MFNN method (Patent - INPI - BR 10 2014 019794 0 and international patent in progress # WO2016023089 A1) extensively dominated by the groups of this thematic project.

    The samples will be analyzed afterwards by X-ray diffraction (Philips PW 1749 e D2 Phaser – Bruker), microscopy techniques (TEM – SEM LabNano – CNEPM) and elemental analysis (EDS [LabNano - CNEPM] and WDS [S8 – Tiger Bruker – GPOMS]) in order to confirm the crystalline structure, stoichiometry and morphology of the resulting samples. From then on, the investigation of the samples’ physical properties will be conducted making use of macroscopic measurements such as specific heat, electrical resistivity and magnetic susceptibility.

    Electrical resistivity measurements AC and DC (as well as Hall effect) are performed at the commercial equipments PPMS-14T and PPMS-9T which belong to the groups in this thematic project, able to apply magnetic fields up to 14 T as well as achieve the temperature ranges of 0.3 K – 300 K, and making use of commercial pressure cells (easylab – piston-cylinder and diamond anvil cells) able to reach 9 GPa. The specific heat measurements are also going to be performed at the PPMS-14T and PPMS-9T with applied magnetic fields up to 14 T and in the temperature range of 0.05 K - 300 K, with the coupled option of a dilution refrigerator.

    As for the AC/DC magnetic susceptibility experiments, they will be performed on the PPMS 14T (VSM option – DC), PPMS 9 T (ACMS option AC/DC) and in the new SQUID-VMS requested in this thematic project, which is crucial to the development of this project due to its enhanced sensibility.

    We initially hope to focus on the nanowires’ growth of the CeIn3 compound of 2 different diameters (200 nm and 75 nm). We are convinced that this is feasible, and when that is established we intend to expand the synthesis for other Rare-Earths and 1-1-5 series, as well as reduce the diameter of the nanowires.

    The membranes with nanowires are extracted from the crucibles and studied through TEM, EDS, magnetic susceptibility, specific heat and powder X-ray diffraction measurements, considering the Al2O3 background contribution in each case. It is still challenging to isolate a single nanowire to perform electrical resistivity measurements. The development of this technology will also be an objective of this thematic project in collaboration of the LMBT group and the Center for Semiconductor Components and Nanotechnologies – UNICAMP and the Nanotechnology Center of LANL (US-NM). 

    Expected results 

    Regarding nanowires of HF systems, we hope to find a strong dependance between transport, magnetic and superconducting properties with the systems’ dimensionality. From our research, we particularly wish to be able to construct the phase diagrams of these quasi 1-D systems that could help us infer details of the microscopic interaction between localized and conduction electrons, and its correlation to the ordered states under reduced dimensions effects.

    Finally, a lot of articles should be published as result of these investigations, and the post-doc responsible for this Project should scientifically interact with the other collaborators of this project, whom will certainly benefit from the grown samples and the scientific knoledge built in an organized and collaborative form between all the participants

    This opportunity is open to candidates of any nationalities. The selected candidate will receive a FAPESP’s Post-Doctoral fellowship in the amount of R$ 7,373.10 monthly and a research contingency fund, equivalent to 15% of the annual value of the fellowship which should be spent in items directly related to the research activity.


     

    References

    [1] S. Doniach, in Valence Instabilities and Related Narrow Band Phenomena, ed. R.D. Parks (Plenum, New York, 1977) p.169.
    [2] G.R. Stewart, Reviews of Modern Physics 73 (4): 797-855 OCT 2001.
    [3] M.A.Continentino, Physical Review B. 47 11587 (1993).
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    [5] N. D. Mathur et al., Nature 394 (6688): 39-43 (1998).
    [6] H. Hegger et al., Physical Review Letters 84, 4986-9(2000).
    [7] C. Petrovic et al., Europhysics Letters 53 354-359 (2001).
    [8] C. Petrovic et al,, Journal of Physics: Condensed Matter 13 L337 (2001).