Hochtemperatur - Supraleiter Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Vergleich: Leiter - Supraleiter Elektrischer Leiter: Supraleiter: R ändert sich proportional mit T unterhalb von Tc schlagartiger Verlust des Widerstands Supraleitung ↑ Sprungtemperatur Tc Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Supraleitfähige Materialien Hochtemperatursupraleiter Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 BCS - Theorie • Bardeen, Cooper, Schriefer, 1957 • Attraktive WW zwischen Elektron und Atomrümpfe (Coulomb WW) • Durch Massenträgheit bedingte langsame Reaktion der Atomrümpfe • lokale Gitterpolarisation attraktive WW auf ein weiteres Elektron starke Elektron – Phonon WW durch Gitterschwingung vermittelte WW zwischen e- mit entgegengesetztem Spin Cooper Paare (nur bis ca. 40 K) Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 BCS - Theorie Quantenmechanische Interpretation: • Ganzzahliger Spin eines Cooper-Paares (Boson) Pauli-Prinzip gilt nicht mehr • Cooper-Paare folgen Bose-Einstein-Statistik wechselwirkungsfreier Teilchen Ein gemeinsamer quantenmechanischer Zustand Beschreibung durch eine einzige Wellenfunktion • Durch Kopplung der Elektronen tiefer gelegenes Energieniveaus im Vergleich zu einzelnen Elektronen • Energiedifferenz entspricht benötigter Energie zur Spaltung eines Cooper-Paares diese ist größer als durch Streuung vermittelbare Energie kein Energieverlust durch Streuprozesse verlustfreier Stromfluss Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Grenzen der Supraleitung Supraleitung ist abhängig von: • Temperatur Tc • Stromdichte Ic überschreitet Strom kritischen Wert Ic bricht Supraleitung zusammen • magnetische Feldstärke Zusammenbruch bei Überschreitung der kritischen Magnetfeldstärke Hc (entweder äußeres Feld oder Feld erzeugt durch Suprastrom) Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Meissner-Ochsenfeld-Effekt Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Meissner-Ochsenfeld-Effekt Supraleiter 1. Art Magnetisierung wird proportional zur Magnetfeldstärke immer negativer Hc überschritten Normalleiter Supraleiter 2. Art schleppender Übergang nach Hc1, zwischen Hc1 und Hc2 dringt magnetischer Fluss in Form von Flussschläuchen ein Vortex/Shubnikov-Phase Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Josephson-Effekt zwei Supraleiter sind durch dünne Isolierschicht voneinander getrennt: Cooper-Paare tunneln mit Phasendifferenz SQUID • ohne äußeres Magnetfeld befinden sich beide Supraströme in Phase • Phasendifferenz durch äußeres Magnetfeld • Interferenz beider Ströme (konstruktiv/destruktiv) empfindliche Messung des äußeren Magnetfeldes möglich Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Hochtemperatur-Supraleiter “3 x Perowskit“ YBa2Cu3O8 YBa2Cu3O7 Ba Y Ba Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Hochtemperatur-Supraleiter YBa2Cu3Ox CuO-Ketten • Anzahl von O in Ketten kann genau eingestellt werden (O1) • x=7: voll besetzt • x<7: teilweise besetzt (Fehlstellen) • x=6: völlig unbesetzt CuO2-Ebenen (Cu2+) • Supraleitung parallel zu CuO2 Ebenen CuO-Ketten B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321. Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Hochtemperatur-Supraleiter • Statistische Anordung Ausbildung regelmäßiger orthorhombischer der O-Atome Überstrukturen • a und b-Achse nicht mehr unterscheidbar • Tetragonale Struktur B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321. Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Hochtemperatur-Supraleiter Sauerstoffdotierung Position 1: 2 Cu1+ 2 Cu2+ (lokaler Ladungsausgleich) Position 2: 1 Cu1+ 1 Cu2+ 1 Cu2+ 1 Cu3+ (instabiler als Cu2+) Entstehung von 1 Loch in CuO2 - Ebene Position 3: Cu2+ Cu3+ (instabiler als Cu2+) Entstehung von 2 Löchern in CuO2 – Ebene AF Ordnung verschwindet Lochkonzentration für beliebige O-Konzentration abhängig von Anordnung der O-Atome B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321. Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014 Plateau bei 60 K??? • Annahme: Ausbildung einer O2-Phase •Besetzung nur Gitterplätze des O2Untergitters bei x=6 • danach statistisches Auffüllen restlicher Plätze (x>6.5) • Berechnung liefert plateau-ähnliches Verhalten für 6.5 < x < 6.6 Tc steigt mit zunehmender Lochkonzentration B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321. Festkörperpraktikum Modul AC III 23.04.2014