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Resumo: Analisamos o íon Fe³+ e o íon Cr³+ em monocristais de LiNbO₃. Para realizar este trabalho, precisamos ter uma ferramenta computacional para calcular os níveis de energia de qualquer íon de transição ou terra-rara em qualquer tipo de cristal, que seja eficiente, de fácil utilização, e que possa ser aplicado a uma grande variedade de problemas físicos. Então propomos-nos fazer com que os programas de posse do nosso laboratório monte as matrizes do Hamiltoniano de Spin (HS) e determine os autovalores (energias) ou autovetores (campo de ressonância) das transições observadas e obtenha os parâmetros de HS pertinentes a partir de dados experimentais fazendo minimização pelo método de mínimos quadrados. Isto é de fundamental importância para o desenvolvimento dos trabalhos realizados por nosso grupo de RPE. Dedicamos a três programas disponíveis: RESS2, EasySpin e ao EPR-NMR. Obtivemos bons resultados com os cálculos dos níveis de energia e do campo magnético onde ocorre ressonância para os programas RESS2 e EasySpin O nobre caminho percorrido com o manuseamento destes, proporciona um grande e rápido amadurecimento, visão de possíveis caminhos para serem seguidos sendo assim uma boa fonte de pesquisa e orientação para nosso trabalho.

Introdução: Monocristais de LiNbO₃ são de fácil crescimento e impurezas neste material são facilmente incorporadas. A incorporação de impurezas paramagnéticas nos cristais de LiNbO₃, também o torna suscetível a estudos através da técnica de Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE). Muitas propriedades desta substância fazem dela um importante meio ótico, apresentando comportamento especial como o efeito eletro-óptico linear, meio ativo para laser de estado sólido, efeitos fotovoltaicos e fotorrefrativo. Este último é particularmente evidenciado quando o LiNbO₃ é dopado, principalmente, com óxido de ferro (Fe₂O₃). Isto torna possíveis aplicações tecnológicas como holografia, transmissão óptica, memórias ópticas ou circuitos integrados ópticos. Assim analisamos o íon Fe³+ [3] e o íon Cr³+ [1] em monocristais de LiNbO₃. Para realizar este trabalho, precisamos ter uma ferramenta computacional para calcular os níveis de energia de qualquer íon de transição ou terra-rara em qualquer tipo de cristal, que seja eficiente, de fácil utilização, e que possa ser aplicado a uma grande variedade de problemas físicos. Isto é de fundamental importância para o desenvolvimento dos trabalhos realizados por nosso grupo de RPE. Este trabalho se voltou para reproduzir outros trabalhos já concluídos afim de comparação e verificação do comportamento de nossos programas.

Resultados: Com o programa RESS2, desenvolvido por J. F.Sampaio (IF-UFMG) [2],

encontramos as linhas de R.P.E. em intervalos de campo magnético dados, a partir dos parâmetros do hamiltoniano de spin, da freqüência do experimento e das orientações da amostra, especificados pelo usuário através do teclado. Tornamos o programa mais automatizado, de uso prático e eficiente, convertido para linguagem Fortran 90, e os resultados foram apresentados de forma mais legível e organizados. Apesar dos exemplos do programa EPR-NMR serem executados com sucesso, ainda não obtivemos resultados satisfatórios com nossos próprios arquivos de entrada de nosso grande interesse. Usamos muito tempo na solução do problema da instalação, depois nas construções dos nossos arquivos de entrada e familiarização com o programa EPR-NMR. Mas ainda vamos continuar testando e estudando este programa, pois ele proporciona um grande e rápido amadurecimento, visão de possíveis caminhos para serem seguidos sendo assim uma boa fonte de pesquisa e orientação para nosso trabalho. Com a ferramenta Easyspin fizemos scripts onde calculamos os níveis de energia e os campos magnéticos onde ocorre a transição para um dado sistema de spins e orientação do campo magnético aplicado. Obtemos dentre outros resultados, um gráfico dos níveis de energia do Fe³+ num campo magnético alinhado paralelo ao eixo c do cristal de LiNbO₃ (θ=0,φ=0), onde mostramos as transições permitidas e não permitidas para banda Q (34.5GHz). Além da visualização do gráfico, geramos dois arquivos de saída, onde se encontram os resultados no formato para ser facilmente compartilhado com qualquer outro programa gráfico.

Conclusões: Dentro do que nos propusemos para ser realizado no primeiro semestre de vigência da bolsa, os objetivos foram todos alcançados e adiantamos algumas das tarefas a serem realizadas no segundo semestre. No segundo semestre foram incluídas mais transições eletrônicas, termos de campo cristalino de segunda ordem, possibilitando simulações satisfatórias com do íon Fe³+ Testamos todas as etapas anteriores com dados experimentais com dados obtidos na literatura. Daí a importância de testar os programas com dados já bem conhecidos, simulando trabalhos já publicados parecidos com nossos propósitos. Na arte de programação é difícil determinar o tempo para resolver os problemas e especular o grau de dificuldade das próximas "barreiras". Isso gerou surpresa pela dificuldade fornecida pelo grande EPR-NMR. Com o programa EasySpin encontramos uma boa facilidade proporcionada pelo ambiente do poderoso Matlab, mas por ser código fechado não podíamos conferir e personalizar as operações de cálculo computacional, e outra desvantagem é a de estar dependente do interpretador de comandos do Matlab. O nobre caminho percorrido com o manuseamento destes, proporciona um grande e rápido amadurecimento, visão de possíveis caminhos para serem seguidos sendo assim uma boa fonte de pesquisa e orientação para nosso trabalho. Em uma próxima etapa, implementaremos a interação hiperfina do elétron com o núcleo central e rotinas de minimização no programa RESS, além de estudos mais aprofundados no código fonte do EPR-NMR. Concluímos que o Fortran 90 é mais flexível, mais expressivo, mais aproveitável, mais portátil, e acima de tudo, mais seguro.