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
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 = hn
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 ⋅ λ = 2π r
Wellenlänge ↔ Impuls ↔ Strom ↔ Magnetfluss
d. h. der Fluss ist "quantisiert" F = n F0
n ⋅ Φ0
Flussquantisierung: Experiment
Magnetfluss im Ring
Doll und Näbauer
München 1961
Φ0 =
äußeres Magnetfeld
h
= 2 ⋅10−15 Tesla ⋅ m 2
2e
erster Beweis
für Paare!
Josephson-Effekt
2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren
Engstellen
ƒB
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
8,6km
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:
Precursor
Rohling
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
HTS Filaments
Matrix
• BSCCO-2223
• 55 filaments
• Ag or Ag alloy
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
500
600
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-700
0
-600
5
10
15
20
25
30
Zeit (ms)
35
40
45
-800
50
Spannung (V)
Strom (A)
800
Spannung
Strom
THErmal EVAporation = THEVA GmbH
gegründet 1995
12 Vollzeit-Mitarbeiter
Produkte
• YBCO Filme
•Beschichtungsanlagen
• Jc-Scanner
F&E:
• Bandbeschichtung
• Energietechnik-Anwendungen
www.theva.com
• Mikrowellen
Neuere Entwicklung: MgB2
Magnesium
Bor
Magnesium-Diborid
Tc=39K
einfache Verbindung
Standard-Chemikalie
"Matratze"
Ganz neu: Dotierung durch Feldeffekt
Isolator
Kontakt
ñ Spannung
ïïïïïïï
Kontakt
Probe
ï Spannung
Fulleren mit Bromoform (CHBr3)
117K
Polythiophen (Polymer-Plastik)
2,6K
weitere Modifikationen des Kohlenstoffs ?
Nano-Röhrchen?
C60
CHBr3
Schlussbemerkung
Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik
"klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt
"Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich
Die SL sind immer gut für Überraschungen