Supraleiter

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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
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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)
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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
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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
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Hochtemperatur-Supraleiter
“3 x Perowskit“
YBa2Cu3O8
YBa2Cu3O7
Ba
Y
Ba
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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.
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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.
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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.
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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.
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