Abstract in Portuguese:

Esse é um artigo de apresentação da edição especial da Revista Brasileira de Ensino de Física (RBEF) dedicada à palestras apresentadas na XI Escola Brasileira de Magnetismo (EBM) realizada em Porto Alegre em novembro de 2023. Inicialmente, fazemos um relato da XI EBM assim como um histórico das EBMs, evento esse que é realizado pela comunidade brasileira de magnetismo há mais de duas décadas. Em seguida apresentamos uma breve descrição dos artigos sobre temas avançados apresentados na XI EBM. Esses artigos versam tanto sobre temas substantivos do magnetismo básico (teórico e experimental) assim como suas aplicações em áreas tão distintas como medicina e geologia.

Abstract in English:

This is a presentation article of the special edition of the Revista Brasileira de Ensino de Física (RBEF) dedicated to lectures presented at the XI Escola Brasileira de Magnetismo (EBM) held in Porto Alegre in November 2023. Initially, we report on the XI EBM as follows as a history of EBMs, an event that has been held by the Brazilian magnetism community since 1997. Below we present a brief description of the articles on advanced topics presented at the XI EBM. These articles deal with both substantive themes of basic magnetism (theoretical and experimental) as well as its applications in areas as diverse as medicine and geology.

Abstract in Portuguese:

Este artigo serve como uma introdução à supercondutividade, convidando o estudantes a estudarerm mais assunto. Embora a teoria da supercondutividade seja uma teoria quântica de muitos corpos, aqui optamos por uma rota mais didática baseada em termodinâmica e simetria. Fazemos uma breve revisão do campo, que tem mais de um século, e fornecemos uma definição em uma frase de um supercondutor. Surpreendentemente, muitos livros didáticos carecem de tal definição, geralmente introduzindo supercondutores através de suas propriedades, em vez de por definição. Explicamos o conceito de um parâmetro de ordem, simetria e quebra de simetria. Com base nisso, esclarecemos a diferença entre supercondutores convencionais e não convencionais, o que frequentemente é um tópico confuso para iniciantes no assunto. Também fornecemos um vislumbre de um tópico de pesquisa atual no campo da supercondutividade não convencional e magnetismo. Para isso, explicamos o conceito de quebra de simetria de reversão temporal na física da matéria condensada, que geralmente é associado a uma forma de magnetismo. Aqui, mostramos que a simetria de reversão temporal pode ser quebrada em supercondutores, levando a propriedades magnéticas devido à própria supercondutividade. Para esse propósito, utilizamos o método da teoria de Ginzburg-Landau para transições de fase. Discutimos o campo da supercondutividade quiral e orientamos o estudo de quem tiver interesse em se aprofundar no assunto.

Abstract in English:

This paper serves as a primer on superconductivity, inviting students for further investigation. Although the theory of superconductivity is a many-body quantum theory, here we take a more didactic route based on thermodynamics and symmetry. We briefly survey the more than a century-old field and provide a one-sentence definition of a superconductor. Surprisingly, many textbooks lack such a definition, usually introducing superconductors through their properties rather than by definition. We explain the concept of an order parameter, symmetry, and symmetry breaking. Based on this, we clarify the difference between conventional and unconventional superconductors, which is frequently a confusing topic for newcomers. We provide the reader with a taste of a current research topic in the field of unconventional superconductivity and magnetism. For this, we explain the concept of time-reversal symmetry breaking in condensed matter physics, which is usually associated with a form of magnetism. Here, we show that time-reversal symmetry might be broken in superconductors, leading to magnetic properties due to superconductivity itself. For this purpose, we utilize the method of the Ginzburg-Landau theory for phase transitions. We discuss the field of chiral superconductivity and guide the interested reader to further study.

Abstract in Portuguese:

Aqui abordamos o efeito Magnetoimpedância e demonstramos que este pode nos auxiliar no estudo da dinâmica da magnetização em sistemas nanoestruturados. Especificamente, exploramos uma forma acessível, mas robusta, de calcular o fenômeno da Magnetoimpedância em sistemas na forma de filmes finos. Para verificar a robustez de nossa abordagem teórica, produzimos um filme fino ferromagnético de Ni81Fe19, uma liga amplamente conhecida na comunidade de magnetismo, e realizamos sua caracterização magnética quase-estática e dinâmica. Nosso resultados, além de mostrar a concordância entre teoria e experimento, trazem uma forma simples para descrever sistema ferromagnéticos e suas interações com campos magnético estáticos e alternados, simultaneamente. Através da investigação das propriedades magnéticos de diferentes sistemas podemos produzir uma ampla gama de dispositivos sensores para diferentes aplicações tecnológicas.

Abstract in English:

Here we address the Magnetoimpedance effect and demonstrate that it can help us in the study of the dynamics of magnetization in nanostructured systems. Specifically, we explore an accessible, robust approach to calculate the Magnetoimpedance phenomenon in thin film systems. To verify the robustness of our theoretical approach, we produced a ferromagnetic thin film of Ni81Fe19, an alloy widely known in the magnetism community, and performed its quasi-static and dynamic magnetic characterization. Our results, in addition to revealing the agreement between theory and experiment, provide a simple way to describe ferromagnetic systems and their interactions with static and alternating magnetic fields, simultaneously. Through investigating the magnetic properties of different systems, we can produce a wide range of sensor devices for various technological applications.

Abstract in Portuguese:

Inicialmente destinados a reproduzir os fenômenos encontrados em análogos cristalinos, os sistemas de spins artificiais reivindicaram uma fenomenologia própria, levando a uma nova linha de pesquisa de bastante interesse em física da matéria condensada. A exploração de arquiteturas de redes, materiais e técnicas de mapeamento magnético não só proporcionaram um melhor entendimento da relação entre fenômenos e modelos estatísticos como permitiram o estudo de fenômenos exóticos interessantes não encontrados na natureza. Tal combinação de ingredientes também proporcionou o surgimento de propostas de aplicações em dispositivos tecnológicos, principalmente relacionadas com computação não convencional, lógica magnética e tecnologia da informação. Esse artigo pretende introduzir os sistemas de spins artificiais e, em especial, os chamados gelos de spin artificiais, a alunos de final de graduação, início de pós-graduação e pesquisadores interessados em iniciar seus estudos no tema.

Abstract in English:

Originally aimed at reproducing phenomena found in crystalline analogs, artificial spin systems have claimed their own phenomenology, leading to a new line of research of considerable interest in condensed matter physics. The exploration of network architectures, materials, and magnetic mapping techniques has not only provided a better understanding of the relationship between phenomena and statistical models but also allowed the study of interesting exotic phenomena not found in nature. This combination of elements has also led to proposals for applications in technological devices, mainly related to unconventional computing, magnetic logic, and information technology. This article aims to introduce artificial spin systems, particularly artificial spin ices, to advanced undergraduate students, early graduate students, and researchers interested in beginning their studies on the subject.

Abstract in Portuguese:

Os materiais multiferróicos constituem um grupo de sistemas multifuncionais com propriedades de enorme aplicabilidade na tecnologia spintrônica. No presente manuscrito, são apresentadas as características fundamentais desse grupo de materiais interessantes, exemplificando-as por meio de um composto de hexaferrita do tipo M (BaTi2Mn2Fe8O19), cuja síntese foi realizada pela técnica de reação em estado sólido. Os resultados mostram uma estrutura hexagonal que consiste em várias subcélulas caracterizadas pela presença de poliedros, cujos centros são ocupados por cátions de Fe, Mn e Ti coordenados com ânions de oxigênio para formar estruturas octaédricas, tetraédricas e bipiramidais. O caráter multiferróico foi conferido por medições de magnetização e polarização elétrica em função de campos magnéticos e elétricos, respectivamente. Esse material exemplifica a metodologia a ser seguida no projeto de novos materiais multiferróicos.

Abstract in English:

Multiferroic materials constitute a group of multifunctional systems with properties of enormous applicability in spintronic technology. In this manuscript, the fundamental characteristics of this group of interesting materials are presented, exemplified by an M-type hexaferrite compound (BaTi2Mn2Fe8O19), the synthesis of which was carried out using the solid-state reaction technique. The results show a hexagonal structure consisting of several sub-cells characterized by the presence of polyhedra, the centers of which are occupied by Fe, Mn and Ti cations coordinated with oxygen anions to form octahedral, tetrahedral and bipyramidal structures. The multiferroic character was verified by magnetization and electric polarization measurements as a function of magnetic and electric fields, respectively. This material exemplifies the methodology to be followed in the design of novel multiferroic materials.

Abstract in Portuguese:

A interação entre a radiação eletromagnética e a matéria oferece uma oportunidade para investigar as propriedades dos materiais em escala atômica e subatômica. Os raios X, em particular, tem sido amplamente utilizados devido à sua capacidade de sondar a estrutura atômica, eletrônica e magnética dos materiais. O advento dos aceleradores de partículas do tipo síncrotron revolucionou a pesquisa nessa área. Proporcionando fontes de raios X intensas e altamente focalizadas, com coerência espacial e temporal em uma ampla faixa de energia, essas instalações permitiram o desenvolvimento de uma ampla gama de técnicas experimentais, incluindo espectroscopias, microscopias e espalhamento de raios X. No contexto do minicurso ministrado na XI Escola Brasileira de Magnetismo, este artigo fornece uma visão geral das técnicas de luz síncrotron mais utilizadas atualmente para o estudo de materiais magnéticos, destacando suas aplicações, princípios de funcionamento e contribuições para o avanço do conhecimento na área.

Abstract in English:

The interaction between electromagnetic radiation and matter provides an opportunity to investigate the properties of materials at atomic and subatomic scales. Specifically, X-rays have been widely used due to their ability to probe the atomic, electronic, and magnetic structure of materials. The advent of synchrotron particle accelerators has revolutionized research in this field. By providing intense and highly focused X-ray sources, with spatial and temporal coherence over a wide energy range, these facilities have enabled the development of a wide range of experimental techniques, including spectroscopies, microscopies, and X-ray scattering. In the context of the mini-course held at the XI Brazilian School of Magnetism, this article provides an overview of the most commonly used synchrotron light techniques for studying magnetic materials, highlighting their applications, basic principles, and contributions to advancing knowledge in the field.

Abstract in Portuguese:

As nanopartículas (NPs) à base de óxido de ferro, como magnetita e maguemita, têm grande destaque em diversas áreas da ciência, inclusive na medicina. Há décadas, elas são usadas na reposição de ferro para pacientes com anemia, como agentes de contraste em ressonância magnética (MRI – “Magnetic Resonance Imaging”), na entrega de agentes terapêuticos mediada ou não por gradiente de campo magnético, em terapias térmicas foto e magnetoestimuladas, entre outras. Neste artigo, apresentamos suas propriedades magnéticas. Discutimos de forma breve seu ordenamento ferrimagnético, a importância da anisotropia magnética e sua relação com a histerese magnética (modelo de Stoner-Wohlfarth) e o regime superparamagnético. As diferenças entre superparamagnetismo e paramagnetismo são enfatizadas, além da importância da estabilidade coloidal dessas nanoestruturas para aplicações biomédicas. Finalmente, diversas aplicações biomédicas são discutidas, entre elas hipertermia magnética, terapia fototérmica, imunoterapia e uma nova técnica de imagem com potencial clínico, conhecida como “Magnetic Particle Imaging” (MPI).

Abstract in English:

Iron oxide-based nanoparticles (NPs), such as magnetite and maghemite, are highly prominent in various scientific fields, including medicine. For decades, they have been used for iron supplementation in patients with anemia, as contrast agents in magnetic resonance imaging (MRI), in the delivery of therapeutic agents mediated or not by magnetic field gradients, and in photo- and magneto-stimulated thermal therapies, among other applications. In this article, we present their magnetic properties. We briefly discuss their ferrimagnetic ordering, the importance of magnetic anisotropy and its relation to magnetic hysteresis (Stoner-Wohlfarth model), and the superparamagnetic regime. The differences between superparamagnetism and paramagnetism are emphasized, as well as the importance of the colloidal stability of these nanostructures for biomedical applications. Finally, various biomedical applications are discussed, including magnetic hyperthermia, photothermal therapy, immunotherapy, and a new imaging technique with clinical potential known as Magnetic Particle Imaging (MPI).

Abstract in Portuguese:

A existência do campo geomagnético é amplamente conhecida pela comunidade, pois desde a infância há o contato com as bússolas e a rosa dos ventos, evidenciando sempre sua utilidade para a localização no Globo, especialmente nos meios marinhos e aéreos. Apesar de mapeado há séculos, suas propriedades de declinação e inclinação costumam ser negligenciadas por meio da afirmação de que o desvio da bússola para o meridiano costuma ser pequeno – e tende a ser nas regiões equatoriais. Já outras propriedades, como a Anomalia Magnética do Atlântico Sul (SAMA) são pouco conhecidas da população. Este trabalho apresenta um olhar de média profundidade sobre o geomagnetismo, e disponibiliza uma ferramenta computacional cujo objetivo é diminuir a distância entre aspectos pouco conhecidos acerca do campo geomagnético e os alunos dos anos iniciais dos cursos de graduação nas áreas de ciências exatas e da Terra.

Abstract in English:

The existence of the geomagnetic field is widely known by the community, as since childhood there is contact with compasses and the compass rose, always highlighting its usefulness for location on the Globe, especially in marine and air environments. Despite being mapped for centuries, its declination and inclination properties are often overlooked through the claim that the compass deviation from the meridian is usually small – and tends to be in equatorial regions. Other properties such as the South Atlantic Magnetic Anomaly (SAMA) are little known to the population. This work presents a medium depth look at geomagnetism and provides a computational tool whose objective is to reduce the distance between little-known aspects about the geomagnetic field and students in the initial years of undergraduate courses in the areas of exact and Earth sciences.