Supraleitung - Tieftemperaturphysik
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0. Einleitung Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 1 Supraleitung 1911 entdeckt, seitdem viele neue Effekte, Theorien, Materialien Gehört zu den innovativen Querschnittstechnologien Anwendungen gewinnen zunehmend an Bedeutung (Energie und Ökologie) Weltmarktentwicklung Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 2 http://www.conectus.org/market.html Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 3 http://www.conectus.org/market.html Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 4 Magnetresonanztomografie (MRT) Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 5 [P. Komarek] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 6 [RWE] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 7 Vectorview Neuromag (Helsinki, Finnland) [Biomagnetisches Zentrum Jena] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 8 Einführung Historische Entwicklung Charakteristische Eigenschaften Materialien: Strukturen und Eigenschaften Materialentwicklung Herstellungstechnologien Anwendungsbeispiele Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 9 W. Buckel, R. Kleiner Supraleitung Wiley-VCH, Weinheim, 6. Aufl., 2004; 7. Aufl., 2012 J. F. Annett Supraleitung, Suprafluidität und Kondensate Oldenbourg, München, 2011 P. Komarek Hochstromanwendungen der Supraleitung Teubner, Stuttgart, 1995 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 10 P .J. Lee (Ed.), Engineering Superconductivity, Wiley, New York, 2001 R.N. Bhattacharya, M. P. Paranthaman (Eds.), High Temperature Superconductors, Wiley‐VCH, Weinheim, 2010 X. G. Qiu (Ed.), High-temperature superconductors, Woodhead, Oxford, 2011 u.v.a.m. Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 11 2003 2013 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 12 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 2015 13 [ Uni Leiden ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 14 1911: H. Kamerlingh Onnes und sein Assistent G. Holst untersuchten den elektrischen Widerstand bei sehr tiefen Temperaturen im Falle von Quecksilber, um das Widerstandsverhalten nahe des absoluten Nullpunktes zu untersuchen, und entdeckten die Supraleitung (1912 - Begriff des supraleitenden Zustandes). Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 15 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 16 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 17 Die ersten Messungen der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Supraleitern - das sind die kritische Stromdichte , das kritische Magnetfeld (Hc) und die Dauerströme (kein zeitliches Abklingen) - wurden durchgeführt in Leiden ( H. Kamerlingh Onnes). Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 18 1912: nachdem auch die Supraleitung in Sn und Pb gefunden wurde, baute G.J. Flim in Leiden die erste supraleitende Spule 1913: H. K. Onnes gibt die Prognose ab, dass supraleitende Spulen für Magneten bis zu 10 T bald zum Einsatz kommen werden (dagegen sprach das niedrige Hc der SL-I) Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 19 [ A. Carrington] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 20 Nach dem 1. Weltkrieg verliert Leiden sein Monopol der Helium-Verflüssigung und weltweit etabliert sich die Supraleiter-Forschung 1916: F. Silsbee (NBS, USA) findet, dass Ic und Hc nicht unabhängig sind 1930: W. Meissner, H. Franz (PTR, Berlin) entdecken die Supraleitung von Nb (9,2 K) Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 21 Typ I -Supraleiter Innenfeld BI 1933: W. Meissner und R. Ochsenfeld fanden, dass die magnetische Flussdichte (Induktion) aus dem Inneren eines Supraleiters herausgedrängt wird. Das heißt im Inneren eines Supraleiters wird die magnetische Suszeptibilität χ= -1. Supraleiter sind also ideale Diamagneten. 0 BC Außenfeld BA Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 22 [ A. Carrington] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 23 Ein Dauermagnet wird auf einen Supraleiter in einem Stickstoffbad gelegt. Abschirmströme werden erzeugt, die ein Magnetfeld erzeugen, welches den Permanentmagneten schweben läßt. (http://www.fys.uio.no /super/levitation/) Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 24 1934/35: Shubnikov schlug vor, dass in sogenannten Typ-II-Supraleitern der magnetische Fluss in Form von einzelnen Flusslinien (auch Vortices, oder FlussSchläuche) beginnt oberhalb eines bestimmten Magnetfeldes Hc1, des unteren kritischen Feldes , in den Supraleiter einzudringen. Der Supraleiter ist dann in der sogenannten Vortexphase, Mischphase oder ShubnikovPhase. Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 25 mittleres Innenfeld BI Typ II -Supraleiter 0 BC1 BC2 Außenfeld BA Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 26 Aus der Bohrschen Quantisierungsbedingung folgt für einen supraleitenden Ring bzw. SL umschlossenen NL-Bereich ( z. B. einen Wirbelkern!) die Flussquantisierung Φ = n Φ0 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 27 Φ0 = Plancksches Wirkungsquantum 2 Elementarladungen (= Ladung des Cooperpaares ) Φ0 = 2,07 · 10-15 Vs = 2,07 · 10-15 T · m2 = 2,07 · 10-3 V · 10-12 s = 2,07 mV · ps Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 28 1935: Die Brüder F. und H. London fanden phänomenologisch Zusammenhänge zwischen Strom, elektrischem Feld und magnetischem Feld im Inneren eines Supraleiters (London Gleichungen). Sie führten eine Eindringtiefe des statischen Magnetfeldes in den Supraleiter ein, die sogenannte "LondonEindringtiefe". Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 29 1932/34: W. H. Keesom, J. A. Kok messen erstmalig, dass beim Übergang in den supraleitenden Zustand eine unstetige Änderung der spezifischen Wärmekapazität erfolgt (damit stand fest, dass es sich um einen Phasenübergang 2. Ordnung handelt). Aluminium Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 30 1941: G. Aschermann u.a. entdecken die Verbindung NbN mit Tc von 15 K oberhalb des Tripelpunktes von Wasserstoff, so dass erstmals prinzipiell auf flüssiges Helium als Kühlmittel verzichtet werden könnte Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 31 1946: J. G. Daunt und K. Mendelsson fanden erste Hinweise auf eine Energielücke im Anregungsspektrum der Normalleitungselektronen eines Supraleiters. Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 32 1950: E. Maxwell, C. A. Reynolds zeigten das Auftreten eines Isotopeneffektes (auch Isotopieeffekt) als Abhängigkeit der kritischen Temperatur Tc von der Masse M der Isotope eines supraleitenden Elementes Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 33 1950: H. Fröhlich schlug eine Elektron-PhononWechselwirkung als Mechanismus der Supraleitung vor und konnte damit den Isotopeneffekt erklären. [INTERNATIONAL INSTITUTE OF BIOPHYSICS ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 34 1950: Durch V. L. Ginzburg und L.D. Landau erfolgte die Entwicklung einer Theorie der Phasenumwandlungen zweiter Ordnung: räumliche Änderungen eines Ordnungsparameters in Zusammenhang mit der sogenannten Kohärenzlänge. Einführung des Ginzburg-Landau Parameters . Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 35 1954 baut G. B. Yntema (Uni Illinois) aus Niob-Draht den ersten supraleitenden Magneten mit 0,71 T @ 4,2 K 1956: D. A. Buck realisiert ein Kryotron, SL-Schalter, aus Niobdraht - Grundbaustein logischer Schaltungen Kryotron [W. Buckel] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 36 1956: L.N. Cooper bewies theoretisch, dass jede anziehende Wechselwirkung zwischen Elektronen in gebundenen Elektronenpaaren resultiert, (sogenannten Cooperpaaren). Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 37 1957: J. Bardeen, L. N. Cooper, J. R. Schrieffer entwickelten die mikroskopische Theorie der Supraleitung (die BCS-Theorie). Die Vielteilchenwechselwirkung eines Gases aus Cooperpaaren führt zu einer Energielücke im Anregungsspektrum der Normalleitungselektronen Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 38 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 39 1957: A. A. Abrikosov berechnete eine Lösung der GL-Gleichung - ein regelmäßiges Gitter einzelner Flusswirbel (Vortex, Flussschlauch) 2003: Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 40 1960: S. Autler (MIT) baut einen supraleitenden Magneten mit 2,5 T @ 4,2 K und nutzt eine SL-Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes für einen Festkörper-Maser 1962: kommerzieller NbTi-Draht (Westinghouse) Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 41 1960: I. Giaever untersuchte das Quasiteilchen-Tunneln durch eine Barriere zwischen Normalleitern und Supraleitern und zeigte die Existenz der Energielücke des Supraleiters. Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 42 1962: B. D. Josephson zeigte theoretisch, dass auch Cooperpaare durch eine dünne Barriere zwischen zwei Supraleitern tunneln können und sogenannte "Josephsoneffekte" hervorrufen Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 43 1963: S. Shapiro gelingt der indirekte Nachweis des ac Josephsoneffektes (Shapirostufen) 1965: D. N. Langenberg, D. J. Scalapino, B. N. Taylor und parallel L.K. Yanson, V. M. Svistunov, J. M. Dmitrenko gelingt der direkte Nachweis der Josephsonstrahlung Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 44 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 45 1974: J. R. Gavaler, M. A. Janocko, C. K. Jones erreichen mit der A15Verbindung Nb3Ge das bis dahin höchste Tc von 23,2 K Theoretiker „beweisen“ eine 30 K-Grenze für die Supraleitung Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 46 1980 entdecken D. Jerome et al. den ersten organischen Supraleiter (PF6-TMTSF mit Tc = 0,9 K) (TMTSF)2-PF6 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 47 1983 erster supraleitender Beschleunigerring am Fermi National Accelerator Lab mit 774 Dipolmagneten (je 6 m ) und 210 Quadrupolmagneten Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 48 1986: K. A. Müller und G. Bednorz entdeckten oxidische (keramische) Supraleiter (Hochtemperatursupraleiter, HTSL), welche sich durch sehr hohe kritische Temperaturen (im allgemeinen oberhalb von 30 K) auszeichneten Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 49 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 50 [ A. Carrington ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 51 1987: M. K. Wu, ... , C. W. Chu entdecken YBa2Cu3O7-x (YBaCuO, YBCO; Y-123) mit einer Sprungtemperatur Tc = 92 K, deutlich über der Siedetemperatur des Stickstoffs (77,2 K) Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 52 1988: H. Maeda et al. entdecken Bi2Ca2Sr2Cu3O10+x (BSCCO, Bi-2223) mit Tc = 110 K S.S.P. Parkin, V.Y.Lee finden Tl2Ca2Ba2Cu3O10+x (TBCCO, Tl-2223) mit Tc = 125 K [ K. Conder ] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 53 1991/92: R. Kleiner, P. Müller entdecken die intrinsischen Josephsoneffekte in den stark anisotropen HTSL Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 54 1991: A. F. Hebbard et al.; M. J. Rosseinsky et al. finden Supraleitung in alkalidotierten Fullerenen K3C60 mit Tc = 18 K Rb3C60 mit Tc = 28 K [ S. Saito] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 55 1993: S. N. Putilin, E.V. Antipov, M. Marezio et al. finden das Hg-HTSLSystem A. Schilling et al. Hg1223 mit Tc = 133 K C. W. Chu et al. unter Druck von 30 GPa ein Tc von rund 162 K [ T. Carrington] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 56 2001: J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zanitani, J. Akimitsu finden, dass die seit den 50er Jahren bekannte und kommerziell erhältliche intermetallische Verbindung MgB2 bei knapp 40 K supraleitend wird Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 57 2008 H. Hosono et al. Tc=26 K Geschichtete EisenArsen-Verbindungen Verbindungen der Stickstoffgruppe (N) Elektronendotiert (inzwischen auch lochdotierte SL) Mehrere Familien (1111, 111, 11, 122) La-1111 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 [Johrend, Pöttgen] 58 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 59 [R. Mitsuhashi et al., Science 2010] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 60 [arXiv 1412.0460] Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 61 Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS 2015 62
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