(bis zu 0). - ETH Zürich

SUPRALEITUNG
K.Conder
LNS ETH/PSI
1
Widerstand
Elektrische Widerstand bei tiefen Temperaturen
Kelvin: die Elektronen werden
„eingefroren“ und der
Wiederstand steigt (bis zu ).
Kelvin (1902)
Matthiessen (1864)
Dewar (1904)
Temperatur
Dewar: das Kristallgitter wird
„eingefroren“- die Elektronen
werden nicht gestreut. Der
Wiederstand nimmt
kontinuierlich ab (bis zu 0).
Matthiesen: Restwiderstand
durch Verunreinigungen im
Kristallgitter.
2
Supraleitung-die Entdeckung
•Verflüssigung von
Helium (4K)
•Supraleitung in Hg
TC=4.2K (1911)
„Mercury has passed into a new state, which on
account of its extraordinary electrical properties
may be called the superconducting state“
H. Kamerlingh Onnes 1913 (Nobelpreis 1913)
Wiederstand R=0 unterhalb
von TC; (R<10-23 cm, 10183
mal kleiner als für Cu)
Leiter und Supraleiter
Verunreinigungen
und Gitterdefekte
sind verantwortlich
für einen
Restwiederstand
Wiederstand [cm]
Temperatur [K]
1x10
-4
1x10
-5
1
10
100
1000
Pb
1x10
-6
Cu
1x10
-7
1x10
-8
Der elektrische
Wiederstand von
Metallen nimmt mit
sinkender
Temperatur ab
In einigen Materialien
fällt beim Abkühlen der
Elektrische Widerstand
sprungartig auf Null
Widerstand <10-23 cm
4
Weitere Entdeckungen
1911-1986: “Tieftemperatur-Supraleiter”
Höchste TC=23K für Nb3Ge
1986 (Januar): HochtemperaturSupraleiter (LaBa)2 CuO4 TC=35K
K.A. Müller und G. Bednorz (IBM
Rüschlikon) (Nobelpreis 1987)
1987 (Januar): YBa2Cu3O7-x TC=93K
1987 (Dezember): Bi-Sr-Ca-Cu-O TC=110K,
1988 (Januar): Tl-Ba-Ca-Cu-O TC=125K
1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O TC=133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich)
5
140
HgBa2Ca2Cu3O8
Tl2Sr2Ca2Cu3O10
120
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
TC [K]
100
YBa2Cu3O7
Flüssiger Stickstoff
80
60
La2-xSrxCuO4
40
NbN
20
Hg
Pb
Nb
Nb3Sn
Nb3Ge
NaxWO3
NbO
MgB2
Cs2RbC60
Ba1-xKxBiO3
BaPb1-xBixO3
LHe
0
1920
1940
1960
Jahr
1980
2000
6
7
Fundamentale Eigenschaften
Tc(onset)=94K
Wiederstand [Ohm]
YBa2Cu3O6.98
R=0 unterhalb TC
0.010
0.005
Tc(R=0)=78K
0.000
0
20
Ein induzierter Strom im
Ring aus einem Supraleiter
floss ohne messbare
Verminderung während
zweieinhalb Jahre!!!
40 60 80 100 120 140
Temperatur [K]
8
Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt
Ein Supraleiter ist ein perfekter
Diamagnet d.h. verdrängt vollständig
ein Magnetfeld aus seinem Inneren
W. Meissner, R. Ochsenfeld (1933).
Ein Magnet schwebt (lewitiert)
über einem Supraleiter.
An der Oberfläche des Supraleiter
(T<TC) werden supraleitende
Abchirmströme angeworfen,
welche ein Magnetfeld erzeugen,
das im Inneren des Supraleiters
das äussere Magnetfeld exakt
kompensiert.
9
Der Meissner-Effekt II
10
Ein Metall in einem Magnetfeld
11
Ein perfekter Leiter
12
Supraleiter
13
Was war zuerst das Ei oder das Huhn?
Ein perfekter Leiter
Der Meissner-Effekt
Die Abchirmströme
fliessen ohne
Energieverluste!
Widerstand muss Null
sein!!!
14
Spezifische Wärme
Spezifische Wärme
Beiträge zur spezifischen
Wärme liefern Phononen und
Elektronen.
SL
cEleS ~exp(-C/T)
cPh ~T³
NL
cEle ~T
Temperatur
TC
Im normalleitenden Zustand
ist:
cPhononen ~T³ und cElektronen
~T.
Nach dem Übergang zur
Supraleitung gilt:
cElektronen ~exp(-C/T) ,
was zu einem Sprung in der
spezifischen Wärme führt.
15
Supraleitende Elemente
•Die ferromagnetischen Materialien sind nicht supraleitend
•Die guten Leiter (Ag, Cu, Au..) sind keine Supraleiter
•Nb zeigt das höchste TC = 9.2K aller Elemente
16
Supraleitende Verbindungen
Verbindung
TC [K]
Nb3Sn
18
Nb3Ge
23
PbMo6S8
15
NbO
2
NaxWO3
6
BaPb1-xBixO3
12
(LaSr)2CuO4
36
YBa2Cu3O7-x
93
Rb
HgBa2Ca2Cu3O8+x
135
Cs
K3C60
19
Cs2RbC60
33
Fullerene C60
Elementarzelle von
Cs2RbC60
17
Nb3Ge (TC=23K)
Ge
Nb
Elementarzelle der
-Wolframstruktur
(A15)
Anordnung der Nb-Atome in
Ketten parallel zur x-, y- und
z-Achse. Diese orthogonalen
Ketten schneiden sich nicht.
In den Ketten haben die NbAtome einen kleineren
gegenseitigen Abstand als im
Gitter des reinen Nb.
18
Das Klassische Model der Supraleitung
Ein Elektron, das an den Ionen des Gitters vorbeiwandert, kann
dessen Lage verschieben. Das Elektron erzeugt ein Phonon.
Phononenfrequenz ~1012Hz,
Elektron Gesch. ~108cm/s.
Die Verformung des
Gitters bildet eine
Region positiver
Ladungsdichte, die
wiederum ein
zweites Elektron
anzieht.
Während einer Phononoszillation kann das Elektron ein Distanz
von ~104Å zurücklegen. Das zweite Elektron wird angezogen
ohne die Abstossungskraft des ersten Elektrons zu spüren.
19
Cooper-Paare. BCS Theorie. I
Quantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer 1957) Theorie
Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu s.g.
Cooper-Paaren.
Zwei Kugeln auf einer gespannten
Gummimembrane. Wenn eine der beiden
Kugeln sinkt, bewegt sich auch die andere
auf sie zu.
20
Cooper-Paare. BCS Theorie.II
Quantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer) Theorie
Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu
s.g. Cooper-Paaren. Da Gesamtimpuls Null ist, gibt es keinen Impuls- bzw.
Energieverlust bei der Wechselwirkung mit der Gitter.
21
Fermie und Bose-Statistik
•Fermionen-,
Teilchen
mit
halbzaligem Spin (z.B. Elektronen,
Protonen, Neutronen..)
•Das
Pauli-Verbot
-jeder
Energiezustand wird nur mit zwei
Elektronen mit entgegengesetzten
Spins besetzt.
Cooper-Paare bilden sich aus
Elektronen mit entgegengesetzten
Spins.
•Gasamtspin ist Null. C-P sind
Bosonen. Das Pauli-Verbot gilt
nicht mehr.
•Alle C-P dürfen den gleichen
Quantenzustand
mit
gleicher
22
Energie einnehmen.
Bose-Einstein Kondensation
23
Warum sind die Supraleiter (TTSL) supraleitend?
Die Bildung eines C-Paares ist für
zwei Elektronen energetisch
günstiger als unabhängiges
Verhalten. Wird die Kopplung in
einem C-P aufgehoben (z.B. durch
Stoss mit einer Verunreinigung) so
ist dies für beide Elektronen
energetisch ungünstig.
Die Bewegung des C-P wird durch
die Bewegung des gemeinsamen
(zwei Elektronen!)
Schwerpunktes beschrieben: im
Stromlosenzustand ist er in
Ruhe, beim Stromtransport
verschiebt er sich.
Alle C-P befinden sich in
gleichen Quantenzustand
(Bosonen). Eine Verunreinigung
oder Streuung an Gitterionen
kann nicht den Quantenzustand
für alle C-P gleichzeitig ändern
(Kollektives Verhalten).
24
BCS Theorie: einige Konsequenzen
Die guten elektrischen Leiter
werden keine Supraleiter.
Beim guten Leiter ist die
Wechselwirkung zwischen
Elektronen und dem Gitter
schwach. Für die Supraleiter ist die
Elektron-Phonon-Kopplung wichtig.
Isotopieeffekt.
Die C-Paarbildung wird über eine
Gitterschwingung vermittelt.
Diese Schwingung wird von der
Masse der schwingenden
Gitterionen abhängig.
TC~M-
Für viele Tieftemperatur- Supraleiter
=0.5
25
Spezifische Wärme
BCS Theorie: Spezifische Wärme
Für die Supraleiter:
cElektronen ~exp(-/kT) ,
SL
2=Eg – Energielücke.
Bindungsenergie der CooperPaare.
cEleS ~exp(-/kT)
N
L
Temperatur
In BCS Theorie:
EF
TC
2=3.5kTC
1eV entspricht einer Temp. ~12000K
2=Eg
CooperPaare
Tc<20K Eg~1meV
Tc~100K Eg~5meV
(Eg1.2eV für Si)
26
Wann werden die Supraleiter nicht mehr supraleitend?
Ein fliesender Strom: erzeugt ein
Magnetfeld und kann die Supraleitung
verhindern.
Hoche Temperaturen:
Magnetfeldern: das Magnetfeld
kann die Elektronenspins ausrichten.
In C-P müssen die Spins
entgegengesetzte Richtungen haben.
starke Eigenschwingungen
des Gitters arbeiten der
Gitterpolarisation
(Elektron-PhononKopplung) entgegen.
27
Phänomenologische Theorie. London-Gleichungen
Die Beweglichkeit der Elektronen
im elektrischen Feld
m·dv/dt=e·E
Im normalen Metall: beschleunigte Bewegung
der Elektronen (zwischen zwei sukzessiven
Abstossungen mit Gitterionen)
Die Ladungsträger in Supraleiter
werden nicht gestreut:
m- Ladungsträgermasse
v- Geschwindigkeit
e- Ladung
E- Elektrische Feldstärke
J=n·e·v
J- Stromdichte
n- Ladungsträgerdichte
dJ/dt=E·n·e2/m
Erste Londonsche Gleichung
Beschreibt Wiederstandlosesbehalten von
Supraleitern: dJ/dt~E.
28
Die Stromdichte J kann unendlich wachsen!
Zweite Londonsche Gleichung I
J E  n  e 2

t
m
m J
E
n  e 2 t
Die 4. Maxwell-Gleichung
curl
Die 3. MaxwellGleichung (Faraday
Induktionsgesetz)
Der elektrische Strom und ein sich
zeitlich änderndes elektrisches Feld
erzeugen ein magnetisches Wirbelfeld.
  B  0  J  0   0 
B
 E  
t
m
J B



0
2
ne
t t
E
t
0- magnetische Feldkonstante
0- Elektrische Feldkonstante
m
J
 E 

2
ne
t
Für sehr
langsame
Feldänderungen

ne 2 
   J 
B   0
t 
m 
29
Zweite Londonsche Gleichung II

ne 2 
   J 
B   0
t 
m 
  B  0  J
Die beiden Gleichungen beschreiben
magnetische Feldstärke und Stromdichte in
einem idealen Stromleiter.
B kann jeden zeitunabhängigen Wert
einnehmen!!!
In einem Supraleiterinneren ist B=0 und Londons (1934) haben vorgeschlagen:
Die zweite Londonsche Gleichung. Die
Gleichung beschreibt einen Stromwirbel um
einen zeitunabhängigen magnetischen Feld.
ne 2
 J  
B
m
 B 
 0 ne
m
2
B
Die Lösung für
eine Dimension
 x 
B  B0  exp   
 L 
L 
m
 0 ne 2
30
Eindringtiefe 
Eindringtiefe
(T)=0*(1-(T/TC) )
4 -0.5
0
Temperatur
TC
 bezeichnet die Stelle, wo B(x) auf
den e-ten Teil des
Oberflächenwertes abgefallen ist.
31
Kohärenzlänge
SL
I
SL
x< GL
Die Kohärenzlänge bezeichnet
die grösste nichtsupraleitende
Strecke die Cooper-Paare
durchtunneln können.
GL
Die Kohärenzlänge bezeichnet den
Abstand zwischen den beiden
Ladungsträger eines Cooper-Paares.
32
Ginzburg-Landau Parameter =/GL
<1/2=0.71 Supraleiter Typ I
Al
Sn
Pb
Tc
 [nm]
[nm]
1.2
3.7
7.2
16
34
37
1600
230
83

0.01
0.16
0.47
>0.71 Supraleiter Typ II
Nb
Nb3Sn
YBa2Cu3O7
Rb3C60
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
Tc
 [nm]
[nm]
9.3
18
93
30
110
39
80
150
247
200
38
3
1.5
2.0
1.4

1
27
100
124
143
33
Josephsoneffekt: M-I-M. Tunneleffekt
I
N1(E)
EF
N2(E)
V=0
V
NL
I
NL
Ohmscher Kontakt
Legt man ein Potenzial an, so bekommt
man an beiden Seiten des M-I-MÜberganges unterschiedliche Fermi
Niveaus. Die isolierende Barriere
könnte durchtunnelt werden. Der
Tunnelstrom wird in diesem Fall linear
vom Potenzial (der Spannung)
abhängig.
eV
V>0
Metall-Isolator-Metall
34
Josephsoneffekt: M-I-SL
I
N1(E)
T>TC
EF
T=0
/e
NL
I
N2(E)
2
V=0
V
SL
eV
Wen das angelegte Potenzial
grösser als /e ist so können
die Metall-Elektronen in das
Energieband oberhalb der Lücke
durchtunneln. Die StromSpannungs Charakteristik ist
nicht mehr linear.
V>/e
Metall-Isolator-Supraleiter
35
Josephsoneffekt: SL-I-SL
I
I0
N1(E)
T>T
C
EF
T=0
2/e
SL
I
N2(E)
2
V=0
V
SL
x
GL> x Tunneleffekt.
Cooper-Paare können die
Isolatorbarriere durchtunneln
(unterhalb vom Kritischen Strom I0)
Mit einer Erhöhung der Spannung könnte
man ähnliche Tunneleffekte wie beim
Metall-Isolator-Supraleiter Übergang
erreichen.
eV
V>2/e
Supraleiter-Isolator-Supraleiter
36
Supraleiter Typ I (/GL<0.71) im äusseren Magnetfeld
Bi=Ba+0M
Negative
Einheiten !
Supraleiter
Bi=0
Normalleiter
Bi=Ba
37
Supraleiter Typ II im äusseren Magnetfeld
Flussliniengitter in einem Typ-IISupraleiter. Jede magnetische
Flusslinie trägt ein elementares
Flussquantum:
0=h/2e2.07·10-15Tm2
38
Supraleiter Typ II. Magnetische Flusslinien
39
Tieftemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm
STM (Scanning Tunneling
Microscopy) Aufnahme des
Abrikosov-Gitters in NbSe2
H. Hess, R.B. Robinson, and J.V. Waszczak,
Physica B 169 (1991) 422
40
Wechselwirkung der Flusslinien mit dem Strom
In einem idealen Typ-II-Supraleiter übt
ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft
auf die Flusslinien aus, was eine
Driftbewegung von Flusslinien
verursacht. Diese verbraucht Energie
und verursacht einen elektrischen
Wiederstand.
FL=j0
FL-Lorenzkraft
j-Stromdichte
0-Flussquant
Die Defekten im Kristallgitter (z.B.
Verunreinigungen) die nicht supraleitend
sind, können die Flusslinien „verankern“.
Das verhindert die Flusslinienbewegung,
solange die Stromdichte einen kritischen
Wert jC nicht überschreitet.
42
Hochtemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm
Ein HTSL zeigt zwei Bereiche der
gemischten (FL-Flusslinien) Phase:
FL-Festkörper im Bereich
Bc1(T)<B<Bm(T)sind die FL fest verankert.
FL bilden reguläres Abrikosov-Gitter.
Der SL kann einen Transportstrom j<jc
verlustfrei tragen.
FL-Flüssigkeit. Die thermischen
Fluktuationen „befreien“ die FL aus ihren
Verankerungen. Der SL zeigt einem
elektrischen Widerstand.
Die Schmelzlinie
43
HTSL. Wiederstandsmessungen
Bi2Sr2CaCu2O8+x Tc=95K
Huse, Fisher&Fisher, Nature, 358 (1992) 553
44
Hochtemperatur-Supraleiter. La2-xSrxCuO4
(LaBa)2 CuO4 TC=35K K.A. Müller und
G. Bednorz (IBM Rüschlikon 1986 )
Cu
TC
Metall
TN
Isolator
100
Antiferromagnet
La, Sr
Temperatur [K]
O
La2-xSrxCuO4
Supraleiter
10
0.0
0.1
0.2
0.3
Sr-Gehalt x, (Löcher per CuO2-Einheit)
2SrO  2Sr‘La + 2OxO + VO
VO+ 0.5O2 OxO+ 2h
45
Hochtemperatur-Supraleiter. YBa2Cu3O7-x
BaO
Y
CuO2 -Ebenen
5fache Cu
Koordination
CuO-Ketten
4fache Cu
Koordination
Perovskite
“YBa2Cu3O9”
46
Die Synthese
0.5Y2O3 + 2Ba2CO3 + 3CuO + x/2O2  YBa2Cu3O6.5+x + 2CO2 + H
Thermische Analyse
DSC /(mW/mg)
Ion Current *10-9 /A
TG /%
100
TG
CO2
¯ exo 4.0
7.0
3.5
6.0
3.0
5.0
2.5
4.0
98
Schmelze
96
DTA
94
[1]
92
Phasenumwandlung
BaCO3
2.0
90
1.5
88 YBa2Cu3O6
1.0
3.0
2.0
1.0
86
[1]
[2]
600
700
800
900
1000
Temperature /°C
1100
0.5
0
47
Charakterisierung
Sauerstoffgehaltanalyse:
•2Cu3+ + H2O  Cu2+ + 0.5 O2 + 2H+
•Jodometrie
•Wasserstoffreduktion
YBa2Cu3O6.5+x + 5H2  0.5Y2O3 + 2BaO + 3Cu +5H2O
Widerstand und
Magnetisierungsmessungen
Röntgenanalyse. Phasenreinheit
10000
YBa2Cu3O7
0.00
Magnetisierung
Intensity
8000
6000
4000
2000
-0.50
-0.75
-1.00
0
20
-0.25
40
2
60
20
40
60
80
Temperatur [K]
100
48
Sauerstoffdoping in YBa2Cu3O7-x
TC
YBa2Cu3O7-
80
60
40
Supraleiter
20
0
6.0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
Thermogravimetrie
Sauerstoffgehalt (7-)
7.0
Sauerstoffgehalt ist von der
Temperatur (und
Sauerstoffpartialdruck) abhängig
Gewicht [%]
100.0
YBa2Cu3O6.985
6.8
99.5
6.6
99.0
98.5
6.4
200
400
600
800
1000
o
Temperatur [ C]
49
Sauerstoffgehalt
Temperatur [K]
100
Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x
Leitende CuO2-Ebene
Löcher
Ladungsreservoir
Elektronen
Leitende CuO2-Ebene
Löcher
2Cu‘Cu + VO + 0.5O2  2CuxCu + OxO
2Cu2+ +0.5O2  2Cu3+ +O250
Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x. Anisotropie
Anisotrope Schichtstruktur.
Die Cooper-Paare können
nicht die Ladungsreservoirs
durchtunneln.
3.4Å
YBa2Cu3O7
ab [Å]
8.3Å
1500
c [Å]
6000
TC=93
ab [Å]
c [Å]
15
4
Bi2Sr2Ca2 Cu3O10 TC=110
ab [Å]
2000
c [Å]
10 000
ab [Å]
c [Å]
13
2
Für Einkristalle YBa2Cu3O7 bei 4.2K
jc(ab)~107A/cm2, jc(c)~105A/cm2
51
Bi-Sr-Ca-Cu-O
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Bi2Sr2CuO6 2201
TC=20K
Bi2Sr2CaCu2O8 2212
TC=95K
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 2223
TC=110K
52
Sauerstoffdoping in Bi2Sr2CaCu2O8+ (Bi2212)
T. Schweizer, Diss ETH, No10167 (1993)
54
HgBa2Can-1CunO2n+2 “Hg-12(n-1)n”
CuO2-Ebenen
Der Weltrekord 133K !!!
ETH Zürich - A.Schilling, M.Cantoni, J.D.
Guo, H.R.Ott, Nature, 362(1993)226
140
TC für HgBa2Can-1CunO2n+2
Hg-12(n-1)n
Temperatur [K]
130
120
110
100
90
1
2
3
4
5
CuO2-Ebenen
6
55
7
Hochtemperatur-Supraleiter. BSC Theorie?
0.0
Magnetisierung
Isotopeneffekt ist sehr
klein:
YBa2Cu3O6.96 TC0.2K
TC~M-  (o 0.02).
Für die meisten LTSL =0.5
16
O
18
O
0.0
-0.1
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-0.2
90
Für HTSL TC 100K.
In der BSC Theorie TC<30K
-1.0
0
20 40 60 80 100 120
91
92
Temperatur [K]
93
Existiert die HTSL
ausschliesslich in
Cupratverbindungen?
56
MgB2
Mg
B - Schichten wie
im Graphit
Entdeckung Januar 2001
TC39K –der höchste Wert für
einen nicht oxidischen Supraleiter!
57
Hochtemperatur-Supraleiter. Jahn-Teller Polaronen?
Symmetrisch:
Cu1+, Cu3+
Mn4+
Ni2+, Co3+, Cr3+
Nicht symmetrisch
(Jahn-Teller Deformation):
Cu2+
Mn3+
Ni3+, Co2+, Cr2+
58
Technische Anforderungen
•
Tc  Kritische Temperatur über 77K
•
Jc  Hoche kritische Stromdichte
•
Bc  Hoche kritische Magnetfeldern
•
$ ¯ Einfache Herstellung
•
R ¯ Gute mechanische Eigenschaften
•
 ¯ Keine (kleine) Giftigkeit
59
Korngrenzen
C-axis twist
boundary
tilt boundary
„edge-on“ or
„head-on“
Tilt boundary
„railwayswitch“
Abhängigkeit des kritischen Stroms
vom Missorientierungswinkel in
Zwillingskristallen von Y123
60
HTSL- Giftigkeit
160
140
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
HgBa2Ca2Cu3O8
120
Bi2Sr2Ca2Cu3O1
0
TC [K]
100
HgBa2CuO4
80
Pb0.5Cd0.5Sr2Y0.5
Ca0.5Cu2O7
YBa2Cu3O7
Pb2Sr2Y0.5Ca0.5Cu3O8
60
40
As2O3
20
0
10
CdO
100
LD50 [mg/kg]
La1.85Sr0.15CuO4
1000
LD50- Giftdosis in mg per kg des Körpers, welche tödlich für 50% der
Population ist. Ausgerechnet auf Grund der Daten für die Metalloxyden.
P.P.Edwards et al., im „High-Tc Superconductivity 1996“, E.Kaldis et al.(eds.), Kluwer 1997
61
Dünnfilme
YBaCuO- Dünnfilm
62
Dickfilme
Foliengiessverfahren
Temperatur
Supraleiter-Folien (aus ethanolhaltigen
Schlicker) werden auf einem Substrat
(Ag oder MgO) schmelzprozessiert.
(1) Ausbrennung der verbliebenen
organischen Bestandteile
(3)
(2)
(4)
(1)
Zeit
(2) Peritektisches Aufschmelzen
(3) Abkühlen (5-10°C/h) wird die
supraleitende Phase auskristallisiert
(4) Nachglühen in O2
(Sauerstoffstöchiometrie wird
eingestellt)
Kritische Stromdichte nehmen für
Bi-2212 Filme mit der Dicke ab. Der
gesamte Strom der durch ein Film
fiessen kann (per cm der Breite),
nimmt aber zu
63
D. Buhl, Diss ETH No 11850 (1996)
Drähte und Bänder. Die Herstellung
Abfüllen in
Silberröhrchen
und schweissen
Extrusion
Extrusion
c ab
Walzen und Erhitzen bei
800-900oC
64
American Superconductor
Drähte und Bänder. Kritische Stromdichte
Kritischer Strom [kA/cm2]
80
Die Entwicklung der
Kritischen Stromdichte.
Messungen für Bi-2223
Bänder bei 77K.
60
40
J.Tallon, Physics World,
March 2000
20
0
1990
1992
1994
1996
1998
65
100 m Länge !
66
Anwendungen. Medizin und Wissenschaft
SQUID Superconducting Quantum
Interference Device.
Höchstempfindliche Sensoren für
magnetische Felder.
Supraleitender Ring ( < 1 mm) mit zwei Josephsonkontakten.
Empfindlich für Felder, die ein Hundertmillionstel des
Erdfeldes betragen.
67
Anwendungen. Medizin und Wissenschaft
MRI Magnetic Resonance Imaging
Die Atomkerne mit Spin0 (z.B. H
in H2O) besitzen magnetische
Momente.
Die können beobachtet werden in
grossen Magnetfeldern.
Ein MRI-Bild des
menschliches
Gelenk gemacht
mit:
a. Cu-Spulle bei RT
b. Ag-Spulle
c. Supraleiter bei
77K
68
Anwendungen. Elektronik
Mikrowellenfilter
Mikrowellenfilter aus
YBa2Cu3O7. Mittenfrequenz
6.2 GHz, relative
Bandbreite 8%).
Entwurf: Bosch GmbH
Herstellung:
Forschungszentrum Karlsruhe
Mikrochips: SFQL (Single Flux
Quantum Logic)
Supraleitender Ring mit einem Flussquantum
repräsentiert den logischen Zustand 1, ohne 0.
Eine Änderung des Zustands gibt ein Spannung
Signal (im mV Bereich, 10-12 s)
Sehr hohe Schaltungsfrequenz ist möglich.
Vom: C.Gough, Phys.Educ. 33(1998)38
69
Anwendungen. Industrie
Magnetische Lager
Ein Rotor (a flywheel) in der Vakuumkammer als
Energiespeicher, gelagert mit einem magnetischen
(HTSL) Lager.
SMES: Superconducting
Magnetic Energy
Storage
Es speichert
elektrische Energie im
Magnetfeld, das von
einer supraleitenden
Spule produziert wird.
MagLev – Züge
(magnetic levitation)
70
Anwendungen. Drähte und Bänder
Querschnitte von HTSL
Bänder
American Superconductor
Corporation
HTSL Kabel
71
Resistiever Strombegrenzer
Beim Kurzschluss erfolgt ein
Übergang vom supraleitenden in
den normalleitenden Zustand.
Der Strom fliesst durch den
Supraleiter. Die volle
„Schaltenergie“ wird im
Supraleiter in die Wärme
umgesetzt.
72
Induktiever Strombegrenzer
Die Impedanz des Begrenzers ist Null
wenn die Sekundärwicklung (HTSL)
supraleitend bleibt.
Der Eisenkern wird durch einen
Supraleiter vom Magnetfeld
abgeschirmt. Die Selbstinduktion in
der Primärwicklung ist deshalb sehr
klein.
Beim Kurzschluss, wird das Magnetfeld
grösser als das BC des Supraleiters.
Der Eisenkern wird magnetisiert das
wieder entgegengesetzter Strom in
der Primärwicklung induziert.
Die Energie wird vom Eisen absorbiert
und als Wärme abgegeben.
73
Induktiver Strombegrenzer II
ABB hat zwei Anlagen im
Langzeittest:
• Strombegrenzen im Kraftwerk
Löntsch GL (seit 1996)
•Transformator in Genf
Fault current
Limited current
Normal current
74