Deutsches Museum - Technische Universität München

Supraleitervon der Wissenschaft zur Technologie
Helmut Kinder
Technische Universität München, D-85747 Garching,
und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching
Inhalt
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Was ist Supraleitung?
Wie funktioniert sie?
Schnellkurs in Quantenmechanik
Supraleiter als klassische Welle
BCS-Theorie
bei Anwendungen wird es kritisch
der erste Durchbruch: Supraleiter 2. Art
große Magnetspulen
die Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)
Leiter und Dünne Schichten aus HTSL
Neueste Trends
Schlussbemerkung
Was sind Supraleiter?
 Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand
 Bewegung der Elektronen ohne Reibung
 Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch
Supraleiter
Magnete
Mit Kamerlingh Onnes fing alles an
Hg
 1908
Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C)
 1911
Entdeckung der Supraleitung
 1913
Nobelpreis
Entwicklung der Sprungtemperatur
"Hochtemperatur"Supraleiter
flüss. Stickstoff
"klassische" SL
Wie funktioniert Supraleitung?
 die klassische Physik versagt!
 Erklärung nur durch Quantenmechanik
 Supraleitung ist die Spielwiese der QM
QM
SL
Schnellkurs in Quantenmechanik
 Huygens 1691:
Licht-Wellen
 Newton 1704:
Licht-Teilchen
 Planck 1900:
Licht-Quanten
E = hν
 Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen !
dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten
Quadrat?
Kreis?
Zylinder!
Beugung am Regenschirm
Beugungs-Experimente mit Quanten
Quelle
Doppelspalt
wenige Lichtquanten (Photonen)
Schirm
wenige Elektronen
Elektronen im Supraleiter
 Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren
"Cooperpaare"
 alle Paare zusammen bilden klassische Welle:
" Makroskopischer Quantenzustand "
Wellen auf dem Ring
n=1
n=2
n=3
 Wellenlänge muss auf den Umfang passen:
usw...
n    2 r
 Wellenlänge  Impuls  Strom  Magnetfluss
 d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ 0
n  0
Flussquantisierung: Experiment
Magnetfluss im Ring
Doll und Näbauer
München 1961
h
0 
 2 1015 Tesla  m 2
2e
äußeres Magnetfeld
erster Beweis
für Paare!
Josephson-Effekt
 2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren
Engstellen
B
Strom
Strom
Magnetfeld B (10-5T)
 Superconducting QUantum Interference Device, SQUID
 empfindlichstes Messinstrument überhaupt
Die Paar-Anziehungskraft
 "gleichnamige Ladungen stoßen sich ab"
- gilt nicht im Festkörper!
"Matratzenbild":
 klassische SL:
Gitterdeformation
 HTSL:
magnetische Wechselwirkung
BCS-Theorie
J. Bardeen
L. N. Cooper
 Paare sind miteinander "verzahnt"
R. Schrieffer
 wegen Pauliprinzip
 Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt"
 Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom !
Demonstration dazu
bei Anwendungen wird es kritisch
 SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen !
 Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt
Ursache: der Meissner-Effekt
B=0
Walther
Meissner
 Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe verdrängt
 sonst kein SL Zustand möglich
 Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld immer mehr
 irgendwann geht dem SL "die Luft aus": kritische Feldstärke
Die Supraleiter zweiter Art
 das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt
 SL bildet Flussquanten
 weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie
 Kritische Feldstärke erhöht sich stark
Bc in Tesla
Kritische Felder von SL 2. Art
T in Kelvin
der erste technische Durchbruch
 "Stabilisierung" bringt technische Reife
 NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen
Vieldraht-Leiter
14 000 Einzeldrähte
20x
NbTi in CuNi-Hülle
Beschleuniger-Magnete
Hera-Tunnel, DESY, Hamburg
LHC-Projekt, Genf
4,7 Tesla
1200 Dipolmagnete 8,6T
je 15m, 24t (bis 2005)
6,3km
CERN
Magnetresonanz-Tomographie
IGC
 MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten
NMR-Spektroskopie
Kernspin-Resonanz
bei 900 MHz/21Tesla
für chemische Analyse
mit Nb3Sn-Spule
für höchste Magnetfelder
NMR-Spektrum
"Hochtemperatur"-Supraleiter
 1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4
A. Müller:
Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987
W. Bednorz
A. Müller
Nobelpreis Ende 1987
 1987
Supraleiter mit Tc > 90 K
Die wichtigsten HTSL
CuO2-Ebenen
tragen die SL
 YBa2Cu3O7
(YBCO oder Y-123)
93 K
 Bi2Sr2Ca2Cu3O10
(BSCCO oder Bi-2223)
110K
 Tl2Ba2Ca2Cu3O10
(TBCCO oder Tl-2223)
125K
 HgBa2Ca2Cu3O10
(HBCCO oder Hg-1223)
138K
YBCO
Erweiterte Grenzen
Herstellung von BSCCO-Leitern
Powder
Production
Pulver-Herstellung
Powder Production
TeilPart
1: 1:
Part 1:
Rohling
Precursor
Precursor
Fabrication
herstellen
Fabrication
Part
2:
Teil
2: 2:
Part
Microstructure
Microstructure
Metallurgie
Engineering
Engineering
Sealing
in Billet
Bolzen versiegeln
Sealing in Billet
Rebundling
neu bündeln
Rebundling
flach
walzen
Rolling
Rolling
REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY
TM
Deformation
Draht
ziehen
Deformation
Deformation
neu ziehen
Deformation
Heat Treatment
Wärmebehandlung
Heat Treatment
BSCCO-Leiter
Kabel aus 170 Leitern
Leiter-Vergleich mit Kupfer
REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY
TM
Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht
Umspannwerk Detroit-Frisbee
(Pirelli + American Superconductor)
3-adriges SL Kabel
360 m lang
MRT-Spule aus BSCCO-Draht
offenes System
für seitlichen Zugang
(Operationen)
(Siemens
+Oxford Instruments)
YBCO Dünnschichten
"Garching-Verfahren"
Heizer
700°C
O2
Sauerstoff
rotierendes Substrat
Vakuum
Yttrium
zur
Vakuumpumpe
Barium
Kupfer
Verdampfer
 kostengünstig durch Vielfach-Prozess
 hohe Qualität und Reproduzierbarkeit
230 mm
Filter aus YBCO-Dünnschichten
 Mobilfunk - Stationen
 Satelliten - Kommunikation
Filter höchster Trennschärfe
Satelliten-Transponder
(Bosch/Astrium+THEVA)
Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten
schnelle Absicherung in der Energietechnik
erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen
(Siemens
+THEVA
+TU München)
Wirkungsweise von Strombegrenzern
700
800
Spannung
Strom
600
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-700
-600
0
5
10
15
20
25
30
Zeit [ms]
Zeit (ms)
35
40
45
-800
50
Spannung [V]
400
300
Spannung (V)
Strom
Strom [A](A)
500
THErmal EVAporation = THEVA GmbH
gegründet 1995
12 Vollzeit-Mitarbeiter
Produkte
 YBCO Filme
Beschichtungsanlagen
 Jc-Scanner
F&E:
 Bandbeschichtung
 Energietechnik-Anwendungen
 Mikrowellen
www.theva.com
Neuere Entwicklung: MgB2
Magnesium
Bor
Magnesium-Diborid
Tc=39K
 einfache Verbindung
 Standard-Chemikalie
"Matratze"
Schlussbemerkung
 Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik
 "klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt
 "Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich
 Die SL sind immer gut für Überraschungen