Física da Matéria Condensada

Em Matéria Condensada são desenvolvidos trabalhos nas seguintes linhas de pesquisa:

Propriedades Magnéticas e Magnetocalóricas em Compostos Metálicos

O efeito magnetocalórico (EMC) ocorre quando um material magnético é colocado dentro de um campo magnético e observa-se uma variação da temperatura do material magnético. Nos materiais ferromagnéticos a temperatura cresce quando o mesmo é colocado num campo magnético e decresce quando retirado do campo magnético num processo adiabático (isto é, sem haver troca de calor). O EMC pode ser usado na refrigeração magnética e isso o torna muito atrativo do ponto de vista da aplicação tecnológica. Refrigeradores convencionais utilizados hoje em indústrias, casas comerciais e residências usam como material refrigerante um gás geralmente CFC e HCFC. Tais gases, no entanto, são apontados como os principais responsáveis pela destruição da camada de ozônio existente na atmosfera, que nos protege da radiação ultravioleta produzida pelo Sol. De forma diferente, o refrigerador magnético faz uso (como material refrigerante) de substâncias magnéticas dispensando o uso dos gases poluentes e, além disso, produz refrigeração com menor perda de energia.

Nesta linha de pesquisa estudamos do ponto de vista teórico, as propriedades magnéticas, termodinâmicas e o efeito magnetocalórico em sistemas metálicos puros e desordenados. Em particular estamos interessados no efeito da pressão externa campo magnético, campo elétrico cristalino sobre as propriedades magnéticas e magnetocalóricas de sistemas com transição de fase de primeira ordem. Os cálculos teóricos são baseados em modelos de spins interagentes onde a interação spin-spin é tratada na aproximação de campo médio ou na simulação de Monte Carlo.

Nanoestruturas Semicondutoras

A possibilidade de construirmos dispositivos cada vez menores nos deu acesso à escala dos sistemas de dimensões nanométricas (1nm=10-9m). Nessa escala observamos comportamentos tipicamente quânticos para os elétrons. Um efeito puramente relativístico, a interação spin-órbita interfere nesta escala de modo favorável a podermos utilizar o grau de liberdade do spin do elétron como um vetor de transmissão e leitura de informação. Este é o tema central desta linha de pesquisa, que trata especificamente dos seguintes problemas: propriedades eletrônicas e de transporte em nanoestruturas semicondutoras; nanoestruturas de semicondutores magnéticos diluídos; propriedades relacionadas a spin de elétrons em nanoestruturas semicondutoras (difusão, relaxação e corrente spin-polarizada). Técnicas utilizadas: tratamento diagramático para a desordem, simulação Monte Carlo, problemas de muitos corpos (função de Green dentro e fora do equilíbrio, equações de cinética quântica, tratamento diagramático de muitos corpos em teoria de transporte)

Espectroscopia Óptica dos Sólidos

A Espectroscopia Óptica de Sólidos investiga as propriedades ópticas de amostras policristalinas e monocristalinas contendo impurezas. As técnicas utilizadas em nossa pesquisa são a luminescência, luminescência de excitação, absorção óptica e espectroscopia fotoacústica, que determinam a coordenação do sítio de ocupação do dopante na rede cristalina, os níveis eletrônicos, as transições e os parâmetros de energia, as probabilidades de transição, decaimento radiativo, eficiência quântica e dinâmica da rede, e a qualidade óptica de novos sistemas ópticos.

Nos sólidos em geral, e nas matrizes isolantes em particular, as propriedades físicas são relacionadas a defeitos pontuais que surgem na formação do composto, pela inserção na rede hospedeira de impurezas intersticiais, ou ainda por defeitos gerados por irradiação das amostras. No caso de isolantes dopados com os metais de transição tais como cromo, ferro, cobalto, níquel e manganês, a característica óptica mais importante é a presença de largas bandas de luminescência e de absorção, nas regiões do visível e do infravermelho próximo. As redes hospedeiras são formadas por íons de camadas fechadas e, quando o íon dopante é inserido, os seus níveis de energia são desdobrados e muitos destes novos estados dependem de forma diferente do potencial eletrostático (campo cristalino) gerado pelos íons da primeira vizinhança. As transições entre dois estados que apresentam diferentes dependências com o campo cristalino originam as largas bandas de emissão luminescente e absorção observada nestes materiais, que são chamadas de bandas vibrônicas. Estas bandas permitem aplicações que vão desde materiais ativos para laser de estado sólido a temperatura ambiente até a utilização como dosímetros termoluminescentes.

Aplicações Biomédicas Usando Luz Síncrotron

Imagens são tradicionalmente construídas iluminando-se o objeto de interesse e registrando-se a intensidade transmitida como uma função da posição no espaço. As técnicas de imagens usuais são, em princípio, métodos quantitativos para determinação da distribuição espacial de uma quantidade física. As aplicações de novas técnicas de imagens em medicina, tecnologia e biologia têm ganho considerável interesse no campo da Física Médica. As técnicas de imagem e caracterização de tecidos biológicos usando efeitos de espalhamento têm tido um pronunciado impacto na biologia moderna e espera-se que seja cada vez mais importante no futuro, especialmente para auxílio do diagnóstico médico de doenças graves.

Durante os últimos anos diversos laboratórios síncrotron desenvolveram linhas de luz dedicadas às aplicações médicas. A principal característica destas fontes é o espectro de energia largo e contínuo que fornece um alto fluxo de fótons sob uma faixa de energia até 50 keV ou maior. Além disso, o feixe possui uma alta colimação natural e um alto grau de coerência no espaço e tempo. Estas características em combinação com a ótica sofisticada fazem as fontes de radiação síncrotron apropriadas para aplicações médicas já que a intensificação da qualidade da imagem é observada enquanto a dose é conservada ou reduzida em algumas vezes.

O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), instalado em Campinas, é o único deste gênero existente no Hemisfério Sul. O LNLS, em 1987, começou a realizar um ambicioso projeto: colocar o Brasil num seleto grupo de países capazes de produzir luz síncrotron. Desde 1997, o grupo de Física Médica do DFAT/UERJ tem participado de diversos projetos realizados no LNLS nas linhas de luz XRD1 (Difração de Raios-X), XRD2 (Difração Magnética e Difratometria de 6 Círculos ) e XRF (Fluorescência de Raios-X). Os projetos desenvolvidos estão relacionados à caracterização de tecidos humanos saudáveis e cancerosos por difração de raios X, avaliação da concentração elementar em tecidos humanos saudáveis e cancerosos usando fluorescência de raios X e desenvolvimento da técnica de imagem usando difração de raios X. Todos os resultados têm sido publicados em periódicos especializados e em eventos nacionais e internacionais. Além disso, alunos de pós-graduação e iniciação científica estão envolvidos dentro das colaborações frutíferas com a COPPE/UFRJ e com o laboratório síncrotron de Trieste – Elettra.