Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

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sábado, 17 de maio de 2014

Os desafios da supercondutividade (challenges of superconductivity)




         Mesmo depois de 1 século de sua descoberta (Onnes), a supercondutividade ainda possui alguns desafios que parecem estar muito longe de serem superados. Dois em particular são notavelmente destacados: o desenvolvimento de uma teoria ab initio que explique a supercondutividade em qualquer intervalo de temperatura e a obtenção de um material que seja supercondutor em temperatura ambiente ou maior que a ambiente. Outros desafios como a obtenção de fios com materiais cerâmicos, também estão longe da superação (Larbalestier).
         Inquestionavelmente, a teoria ab initio mais bem sucedida na descrição da supercondutividade é a teoria BCS (BCS), que explica as propriedades dos supercondutores tipo I (supercondutores convencionais). Nesta teoria, a interação elétron-fônon é o mecanismo responsável pela supercondutividade. A teoria BCS deu origem a importantes conceitos até hoje empregados, como o par de Cooper e o gap de energia. A descoberta dos high-TC causou certo abalo à teoria BCS, pois com base em seus pressupostos havia um consenso de que o limite máximo da temperatura crítica seria em torno de 30K (McMillan). As cerâmicas à base de Cu e O mantém um recorde da TC muito acima deste valor (http://www.superconductors.org/News.htm)!
         Em função disso, diversos modelos teóricos foram e continuam sendo desenvolvidos na tentativa de explicar a supercondutividade de uma maneira completa. Abaixo segue uma pequena lista destes artifícios:


         Esse é um exemplo do quanto esse campo de pesquisa é desafiador! Embora não mencionada acima, outra teoria que teve e ainda possui grande utilidade no estudo da supercondutividade é conhecida como as equações de Ginzburg-Landau (Ginzburg). Esta deu origem a uma importante grandeza conhecida como comprimento de coerência, uma medida da variação do parâmetro de ordem.
         Além do campo teórico, embora haja uma vasta gama de materiais supercondutores, o desafio de alcançar uma temperatura crítica equivalente a ambiente exigirá informações que aparentemente ainda não se possui. Não é sabido se há ou não um limite físico para a TC. Apesar disso, nada impede os materiais supercondutores de serem usados em várias aplicações úteis. Veja uma lista de aplicações aqui: Aplicações dos supercondutores.
      Para uma revisão um pouco mais detalhada, veja: Supercondutividade: um século de desafios e superação.

sábado, 25 de maio de 2013

Trem brasileiro de levitação magnética começa a ser construído (brazilian magnetic levitation train begins to be constructed)



Com informações da Faperj - 23/05/2013

O trem de levitação magnética possui uma eficiência energética quase 20 vezes maior do que a de um ônibus a diesel. [Imagem: COPPE/UFRJ]

Levitação brasileira

Dentro de um ano, os frequentadores do campus da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) poderão usar o primeiro trem que levita da América Latina.

Já começaram as obras da construção da estação de embarque do Maglev-Cobra, o trem de levitação magnética da Coppe/UFRJ, que ligará inicialmente os dois centros de tecnologia do campus.

A implantação do Maglev-Cobra é fruto de convênios firmados com o BNDES e com a FAPERJ (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro), envolvendo investimentos de R$ 10,5 milhões.

Desenvolvido no Laboratório de Aplicações de Supercondutores (Lasup) da Coppe, sob a coordenação do professor Richard Stephan, o Maglev-Cobra terá capacidade para transportar até 30 passageiros em quatro módulos, que estão sendo construídos na Cidade Universitária pela empresa Holos.


“O Maglev-Cobra coloca o Brasil em lugar de destaque no desenvolvimento de tecnologias de levitação”, afirma o professor Richard Stephan.

Segundo ele, a China e a Alemanha estão criando, no momento, protótipos em laboratório com essa tecnologia, mas o Brasil já está construindo uma linha operacional.

O veículo que dispensa rodas, não emite ruído e nem gases de efeito estufa, entrará em operação em 2014, antes da Copa do Mundo, percorrendo um trajeto de 200 metros.

Supercondutores

Além de sustentável, o veículo também é econômico. Suas obras de infraestrutura chegam a ser 70% mais baratas do que as obras do metrô subterrâneo, com muito menos impacto na vida da cidade.

A construção de um metrô no Rio de Janeiro tem o custo de R$ 100 milhões por quilômetro. Já o trem de levitação, calculam os pesquisadores, poderá ser implantado por cerca de R$ 33 milhões por quilômetro.

“Na área de transporte público, podemos dizer que o Maglev é um dos veículos mais limpos do mundo, em termos de emissões. Trata-se de uma solução para o transporte urbano, perfeitamente adaptável a qualquer tipo de topografia”, ressalta Stephan.

O pioneirismo do Maglev-Cobra está na utilização da técnica de levitação com emprego de supercondutores e ímãs de terras raras.

Os supercondutores são refrigerados com nitrogênio líquido a uma temperatura de -196ºC. Um protótipo funcional utilizado hoje no laboratório de testes desliza por um trilho de 12 metros, com 8 passageiros.

Movido a energia elétrica, o Maglev possui baixo consumo de energia, cerca de 25 kJ/pkm (unidade que mede a quantidade de energia gasta para transportar cada passageiro por um quilômetro).

Para se ter ideia da vantagem da tecnologia em termos de eficiência energética, o consumo de um ônibus comum é de 400 kJ/pkm e o de um avião é de 1.200 kJ/pkm.

terça-feira, 23 de abril de 2013

Há algo além de elétrons na condução da eletricidade? (Is there anything besides electrons in the electrical conductivity?)


Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/04/2013


Elétrons não são suficientes para explicar supercondutores

As regras da condução elétrica não se aplicam aos supercondutores, materiais onde a eletricidade flui livremente, sem qualquer resistência. [Imagem: Philip Phillips]

A corrente elétrica tem sido explicada como um fluxo de elétrons correndo através de um material. Mas parece que esta pode não ser a história toda, pelo menos quando se chega ao limite da condutividade.

“A história da condução elétrica nos metais é contada inteiramente em termos de elétrons. Os supercondutores mostram que há algo completamente novo a ser compreendido, além daquilo que os elétrons estão fazendo,” afirma o Dr. Philip Phillips, da Universidade de Illinois.

Phillips e seus colegas mostraram que as regras dos livros-texto não se aplicam aos supercondutores, materiais onde a eletricidade flui livremente, sem qualquer resistência. Eles estudaram um tipo de material supercondutor conhecido como cuprato, essencialmente uma cerâmica à base de cobre.

Na física, o Teorema de Luttinger estabelece que o número de elétrons em um material é igual à soma dos elétrons em todos os seus átomos. Embora tenha-se mostrado válido para metais e semicondutores, o teorema falhou quando os pesquisadores estudaram os cupratos a fundo: em determinadas energias, a eletricidade que flui pelo supercondutor não pode ser explicada pela soma dos elétrons dos seus átomos.

“Este resultado está nos dizendo que a física [da condução elétrica] não pode ser descrita somente pelos elétrons," disse Phillips. "Isso significa que os cupratos são ainda mais estranhos do que se pensava: alguma outra coisa, diferente dos elétrons, está transportando a corrente.”

Agora, os pesquisadores estão explorando possíveis candidatos para as portadoras de carga adicionais, particularmente um novo tipo de excitação conhecida como unparticles (não-partículas). Estas partículas virtuais muito estranhas - não é à toa que elas são chamadas de "não-partículas" - também estão sendo propostas para explicar uma elusiva Quinta Força Fundamental da natureza.

Bibliografia:
Absence of Luttinger’s Theorem due to Zeros in the Single-Particle Green Function. Kiaran B. Dave, Philip W. Phillips, Charles L. Kane, Physical Review Letters, Vol.: 110, 090403
DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.090403

sexta-feira, 19 de abril de 2013

Homenagem do Espaço Ciência à Heike Kamerlingh Onnes (tribute to Onnes)



         Abaixo segue uma homenagem do Espaço Ciência a Heike Kamerlingh Onnes. A homenagem foi idealizada pelo professor Antonio Carlos Pavão, do Departamento de Química Fundamental da UFPE. As imagens abaixo mostram Onnes dentro de uma geladeira repousando num travesseiro com uma garrafa de hélio líquido em seu lado. O seu nome aparece em destaque no calção em estilo tropical.
         Essa imagem encontra-se disponível no Espaço Ciência em Pernambuco, no projeto denominado Casa Laboratório. Os créditos da caricatura seguem no final do post.



















Créditos
Concepção: Antonio Carlos Pavão
Desenho: Thiago Losant

quarta-feira, 27 de março de 2013

Artigos + Citados de Pesquisadores Brasileiros (papers most cited of brazilian researchers)




Abaixo segue uma lista dos artigos mais citados da literatura de pesquisadores nacionais que desenvolvem trabalhos com a supercondutividade. A pesquisa foi feita analisando o currículo Lattes de vários nomes de referência no Brasil. O currículo Lattes disponibiliza um recurso em que é possível ordenar os artigos publicados por número de citações em três bases distintas: Web of Science, Scopus e Scielo. A sequência de artigos mostrada abaixo e o número de citações de cada um deles foi obtido verificando prioritariamente os dados do Web of Science. Destacado(s) em vermelho está(ão) o(s) nome(s) do(s) pesquisador(es) brasileiro(s) de cada trabalho. Nos artigos em que só há autores nacionais, todos os nomes aparecem em preto.
O número de citações que é mostrado na lista contém dados das bases Web of Science e Scielo, respectivamente. É preciso levar em conta que a pesquisa foi feita no dia 27/03/2013, logo, estes dados precisam ser atualizados constantemente. Portanto, os índices abaixo não são definitivos. Há também uma dependência direta com a atualização feita pelos próprios pesquisadores brasileiros em seus respectivos currículos Lattes. Mesmo assim, os dados servem como referência de um modo geral.



1º) CAMPBELL, L. J.; DORIA, M. M.; KOGAN, V. G. Vortex Lattice Structure in Uniaxial Superconductors. Physical Review B - Solid State, v. 38, p. 2439, 1988.
Citações: 272|117


2º)  EKIN, J. W.; BRAGINSKI, A. I.; PANSON, A. J.; JANOCKO, M. A.; CAPONE, D. W.; ZALUZEC, N.; FLANDERMEYER, B.; de LIMA OF; HONG, M.; KWO, J.; LIOU, S. H. Evidence For Anisotropy Limitation On The Transport Critical Current In Polycristalline YBa2Cu3O7. Journal of Applied Physics, v. 62, p. 4821-4827, 1987.
Citações: 250|39


3º)  VONDEL, J. Van de; DE SOUZA SILVA, C. C.; ZHU, B. Y.; MORELLE, M.; MOSHCHALKOV, V. V. Vortex-Rectification Effects in Films with Periodic Asymmetric Pinning. Physical Review Letters, Estados Unidos, v. 94, n.057003, p. 1-4, 2005.
Citações: 116|9


4º)  KÜMMEL, R.; GUNSENHEIMER, U.; NICOLSKY, R. Andreev Scattering Of Quasiparticle Wave Packets And Current-Voltage Characteristics Of Superconducting Metallic Weak Links. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, Estados Unidos, v. 42, p. 3992-4009, 1990.
Citações: 111|58


5º)  de LIMA OF; RIBEIRO, R. A.; AVILA, M. A.; CARDOSO, C. A.; COELHO, A. A. Anisotropic superconducting properties of aligned MgB2 crystallites. Physical Review Letters, v. 86, p. 5974-5977, 2001.
Citações: 110|114


6º)  GRANATO, ENZO; KOSTERLITZ, J. M. Quenched disorder in Josephson-junction arrays in a transverse magnetic field. Physical Review B - Condensed Matter and Materials Physics, v. 33, n.9, p. 6533-6536, 1986.
Citações: 93|50


7º)  PUREUR, P.; COSTA, R. M.; SCHAF, J.; RODRIGUES, P.; KUNZLER, J. V. Critical and Gaussian Conductivity Fluctuations in YBCO. Physical Review. B. Solid State. (Cessou em 1978. Cont. 1098-0121 Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics), New York, v. 47, p. 11420-11423, 1993.
Citações: 90


8º)  PROZOROV, R.; GIANNETTA, R.; CARRINGTON, A.; ARAUJO-MOREIRA, F. Meissner-London state in superconductors of rectangular cross section in a perpendicular magnetic field. Physical Review. B, Condensed Matter. (Cessou 1997. Cont. 1098-0121 Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics), v. 62, p. 115-118, 2000.
Citações: 84|85


9º)  DORIA, M. M.; GUBERNATIS, J. E.; RAINER, D. Viriral Theorem for Ginzburg-Landau Theories with Potential Applications to Numerical Studies of Type II Superconductors. Physical Review B - Solid State, v. 39, p. 9573, 1989.
Citações: 84|60


10º)  CARDOSO, C. A.; ARAUJO-MOREIRA, F. M.; AWANA, V. P. S.; E. TAKAYAMA-MUROMACHI; de LIMA OF; H. YAMAUCHI; M. KARPPINEN Spin Glass Behavior in RuSr2Gd1.5Ce0.5Cu2O10. Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics, v. 67, n.020407, p. 020407, 2003.
Citações: 74


11º)  DORIA, M. M.; GUBERNATIS, J. E.; RAINER, D. Soving the Ginzburg-Landau Equations by Simulated Annealing. Physical Review B - Solid State, v. 41, p. 6335, 1990.
Citações: 73|44


12º)  Aczel, A.; Baggio-Saitovitch, E.; Budko, S.; Canfield, P.; Carlo, J.; Chen, G.; Dai, Pengcheng; Goko, T.; Hu, W.; Luke, G.; Luo, J.; Ni, N.; Sanchez-Candela, D.; Tafti, F.; Wang, N.; Williams, T.; Yu, W.; Uemura, Y. Muon-spin-relaxation studies of magnetic order and superfluid density in antiferromagnetic NdFeAsO, BaFe2As2, and superconducting Ba1-xKxFe2As2. Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics, v. 78, p. 214503, 2008.
Citações: 63


13º)  Baelus, B.; Cabral, L.; Peeters, F. Vortex shells in mesoscopic superconducting disks. Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics, Estados Unidos, v. 69, n.064506, p. 064506, 2004.
Citações: 61|61


14º)  Goko, T.; Aczel, A.; Baggio-Saitovitch, E.; Budko, S.; Canfield, P.; Carlo, J.; Chen, G.; Dai, Pengcheng; Hamann, A.; Hu, W.; Kageyama, H.; Luke, G.; Luo, J.; Nachumi, B.; Ni, N.; Reznik, D.; Sanchez-Candela, D.; Savici, A.; Sikes, K.; Wang, N.; Wiebe, C.; Williams, T.; Yamamoto, T.; Yu, W.; Uemura, Y. Superconducting state coexisting with a phase-separated static magnetic order in (Ba,K)Fe2As2, (Sr,Na)Fe2As2, and CaFe2As2. Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics, v. 80, p. 024508, 2009.
Citações: 58


15º)  JURELO, A. R.; CASTILLO, I. A.; ROJAS, J. R.; FERREIRA, L. M.; GHIVELDER, L.; PUREUR, P.; R JUNIOR, P. Coherence transition in granular high temperature superconductors. Physica C, Amsterdam, v. 311, p. 133-139, 1999.
Citações: 59|58


16º)  EARLY, E. A.; ALMASAN, C. C.; JARDIM, R. F.; MAPLE, M. B. Double resistive superconducting transition in Sm2-xCexCuO4. Physical Review. B, Condensed Matter. (Cessou 1997. Cont. 1098-0121 Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics), v. 47, p. 433-441, 1993.
Citações: 48|31


17º)  Cabral, L.; Baelus, B.; Peeters, F. From vortex molecules to the Abrikosov lattice in thin mesoscopic superconducting disks. Physical Review. B, Condensed Matter and Materials Physics, Estados Unidos, v. 70, n.144523, p. 144523, 2004.
Citações: 46|47


18º)  DORIA, M. M.; SATIJA, I. I. Quasiperiodicity And Long Ranse Order In A Magnetic System. Physical Review Letters, v. 60, p. 444, 1988.
Citações: 46|14


19º)  BALACHANDRAN, U.; SHI, D.; D. I. dos SANTOS; GRAHAN, S. A.; PATEL, M. T.; TANI, B.; VANDERVOORT, K.; CLAUSS, H.; POEPPEL, R. B. 120 K Superconductivity in the (Bi,Pb)-Sr-Ca-Cu-O System. Physica. C, Superconductivity, EUA, v. 156, n.4, p. 649-651, 1988.
Citações: 46|5

segunda-feira, 25 de março de 2013

Artigos mais citados da literatura (papers most cited in the literature)





Pesquisa realizada no site Web of Science em 21/03/2013, usando os seguintes termos: superconducting, superconductivity, superconductors, vortices. Estes são os artigos mais citados da literatura, segundo o mecanismo de busca Web of Science. Todos os trabalhos mostrados abaixo possuem acima de 1000 citações. Naturalmente, esses números variam com o tempo e uma atualização constante é necessária. Curiosamente, o artigo mais citado da literatura na área da supercondutividade é o de BEDNORZ e MULLER, trabalho este que lhes rendeu o prêmio Nobel de Física em 1987 pela descoberta dos high-TC. O segundo trabalho mais citado é o da teoria BCS. Este também rendeu o premio Nobel de Física aos seus autores em 1972. Observando a lista completa, é possível notar algumas coisas bem interessantes e curiosas. Veja você mesmo!


1) BEDNORZ, JG; MULLER, KA, Possible High-Tc Superconductivity in the Ba-La-Cu-O System.  ZEITSCHRIFT FUR PHYSIK B - CONDENSED MATTER, 64, 2, 189-193 (1986). DOI: 10.1007/BF01303701
Citado: 8,423 vezes


2) BARDEEN, J; COOPER, LN; SCHRIEFFER, JR, Theory of Superconductivity. PHYSICAL REVIEW, 108, 5, 1175-1204 (1957). DOI: 10.1103/PhysRev.108.1175
Citado: 6,321 vezes


3) ANDERSON, PW, The Resonating Valence Bond State in La2CuO4 and Superconductivity. SCIENCE, 235, 4793, 1196-1198 (1987). DOI:10.1126/science.235.4793.1196
Citado: 5,133 vezes


4) WU, MK; ASHBURN, JR; TORNG, CJ; et al., Superconductivity At 93-K in a new Mixed-Phase Y-Ba-Cu-O Compound System at Ambient Pressure. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 58, 9, 908-910 (1987). DOI: 10.1103/PhysRevLett.58.908
Citado: 4,732 vezes


5) BLATTER, G; FEIGELMAN, MV; GESHKENBEIN, VB; et al., Vortices in High-Temperature Superconductors. REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 66, 4, 1125-1388 (1994). DOI: 10.1103/RevModPhys.66.1125
Citado: 3,735 vezes


6) Nagamatsu, J; Nakagawa, N; Muranaka, T; et al., Superconductivity at 39 K in Magnesium Diboride. NATURE, 410, 6824, 63-64 (2001). DOI: 10.1038/35065039
Citado: 3,575 vezes


7) NAMBU, Y; JONALASINIO, G, Dynamical Model of Elementary Particles Based on an Analogy With Superconductivity .1. PHYSICAL REVIEW, 122, 1, 345-358 (1961). DOI: 10.1103/PhysRev.122.345
Citado: 3,423 vezes


8) Kamihara, Yoichi; Watanabe, Takumi; Hirano, Masahiro; et al. Iron-Based Layered Superconductor La[O1-XFx]FeAs (X=0.05-0.12) with Tc=26 K, JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY, 130, 11, 3296 (2008). DOI: 10.1021/ja800073m
Citado: 3,239 vezes


9) Castro Neto, A. H.; Guinea, F.; Peres, N. M. R.; et al., The Electronic Properties of Graphene. REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 81, 1, 109-162 (2009). DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109
Citado: 3,141 vezes 


10) MCMILLAN, WL, Transition Temperature of Strong-Coupled Superconductors. PHYSICAL REVIEW, 167, 2, 331-& (1968). DOI: 10.1103/PhysRev.167.331
Citado: 3,088 vezes


11) BEAN, CP, Magnetization of Hard Superconductors. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 8, 6, 250-& (1962).  DOI: 10.1103/PhysRevLett.8.250
Citado: 2,780 vezes


12) BEAN, CP, Magnetization of High-Field Superconductors. REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 36, 1P1, 31-& (1964).  DOI: 10.1103/RevModPhys.36.31
Citado: 2,779 vezes


13) Imada, M; Fujimori, A; Tokura, Y, Metal-Insulator Transitions. REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 70, 4, 1039-1263 (1998).  DOI: 10.1103/RevModPhys.70.1039
Citado: 2,585 vezes


14) MAEDA, H; TANAKA, Y; FUKUTOMI, M; et al., A New High-Tc Oxide Superconductor Without a Rare-Earth Element. JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS PART 2-LETTERS, 27, 2, L209-L210 (1988).  DOI: 10.1143/JJAP.27.L209
Citado: 2,448 vezes


15) ZHANG, FC; RICE, TM, Effective Hamiltonian for the Superconducting Cu Oxides. PHYSICAL REVIEW B, 37, 7, 3759-3761 (1988). DOI: 10.1103/PhysRevB.37.3759
Citado: 2,313 vezes


16) HEBARD, AF; ROSSEINSKY, MJ; HADDON, RC; et al., Superconductivity at 18-K in Potassium-Doped C-60. NATURE, 350, 6319, 600-601 (1991). DOI: 10.1038/350600a0
Citado: 2,298 vezes


17) BLONDER, GE; TINKHAM, M; KLAPWIJK, TM, Transition From Metallic to Tunneling Regimes in Superconducting Micro-Constrictions - Excess Current, Charge Imbalance, and Super-Current Conversion. PHYSICAL REVIEW B, 25, 7, 4515-4532 (1982). DOI: 10.1103/PhysRevB.25.4515
Citado: 2,038 vezes


18) TRANQUADA, JM; STERNLIEB, BJ; AXE, JD; et al., Evidence for Stripe Correlations of Spins and Holes in Copper-Oxide Superconductors. NATURE, 375, 6532, 561-563 (1995). DOI: 10.1038/375561a0
Citado: 1,994 vezes


19) FISHER, DS; FISHER, MPA; HUSE, DA, Thermal Fluctuations, Quenched Disorder, Phase-Transitions, and Transport in Type-II Superconductors. PHYSICAL REVIEW B, 43, 1, 130-159 (1991). DOI: 10.1103/PhysRevB.43.130
Citado: 1,946 vezes


20) Pendry, JB; Holden, AJ; Stewart, WJ; et al., Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 76, 25, 4773-4776 (1996).  DOI: 10.1103/PhysRevLett.76.4773
Citado: 1,870 vezes


21) HAMALAINEN, M; HARI, R; ILMONIEMI, RJ; et al., Magnetoencephalography - Theory, Instrumentation, and Applications to Noninvasive Studies of the Working Human Brain. REVIEWS OF MODERN PHYSICS, 65, 2, 413-497 (1993). DOI: 10.1103/RevModPhys.65.413
Citado: 1,850 vezes 


22) Berger, L, Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current. PHYSICAL REVIEW B, 54, 13, 9353-9358 (1996). DOI: 10.1103/PhysRevB.54.9353
Citado: 1,802 vezes


23) CAMPBELL, AM; EVETTS, JE, Flux Vortices and Transport Currents in Type II Superconductors. ADVANCES IN PHYSICS, 21, 90, 199-& (1972).  DOI: 10.1080/00018737200101288
Citado: 1,155 vezes


24) BARDEEN, J; STEPHEN, MJ, Theory of Motion of Vortices in Superconductors. PHYSICAL REVIEW, 140, 4A, 1197-& (1965).
Citado: 1,082 vezes

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