Supraleitervon. der Wissenschaft zur Technologie

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1 Supraleitervon der Wissenschaft zur Technologie Helmut Kinder Technische Universität München, D Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D Eching

2 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

3 Was sind Supraleiter? Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand Bewegung der Elektronen ohne Reibung Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch Supraleiter Magnete

4 Mit Kamerlingh Onnes fing alles an Hg 1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269 C) 1911 Entdeckung der Supraleitung 1913 Nobelpreis

5 Entwicklung der Sprungtemperatur "Hochtemperatur"Supraleiter flüss. Stickstoff "klassische" SL

6 Wie funktioniert Supraleitung? die klassische Physik versagt! Erklärung nur durch Quantenmechanik Supraleitung ist die Spielwiese der QM QM SL

7 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!

8 Beugung am Regenschirm

9 Beugungs-Experimente mit Quanten Quelle Doppelspalt wenige Lichtquanten (Photonen) Schirm wenige Elektronen

10 Elektronen im Supraleiter Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren "Cooperpaare" alle Paare zusammen bilden klassische Welle: " Makroskopischer Quantenzustand "

11 Wellen auf dem Ring n=1 n=2 n=3 usw... Wellenlänge muss auf den Umfang passen: n λ = 2πr Wellenlänge Impuls Strom Magnetfluss d. h. der Fluss ist "quantisiert" F = n F 0 n Φ 0

12 Flussquantisierung: Experiment Magnetfluss im Ring Doll und Näbauer München 1961 h Φ 0 = = 210 Tesla m 2e 15 2 äußeres Magnetfeld erster Beweis für Paare!

13 Josephson-Effekt 2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren Strom Engstellen ƒb Strom Magnetfeld B (10-5 T) Superconducting QUantum Interference Device, SQUID empfindlichstes Messinstrument überhaupt

14 Die Paar-Anziehungskraft "gleichnamige Ladungen stoßen sich ab" - gilt nicht im Festkörper! "Matratzenbild": klassische SL: HTSL: Gitterdeformation magnetische Wechselwirkung

15 BCS-Theorie J. Bardeen L. N. Cooper R. Schrieffer Paare sind miteinander "verzahnt" wegen Pauliprinzip Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt" Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom! Demonstration dazu

16 bei Anwendungen wird es kritisch SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen! Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt

17 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

18 Die Supraleiter zweiter Art das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt SL bildet Flussquanten weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie Kritische Feldstärke erhöht sich stark

19 Kritische Felder von SL 2. Art Bc in Tesla T in Kelvin

20 der erste technische Durchbruch "Stabilisierung" bringt technische Reife NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen Vieldraht-Leiter Einzeldrähte 20x NbTi in CuNi-Hülle

21 Beschleuniger-Magnete Hera-Tunnel, DESY, Hamburg LHC-Projekt, Genf 4,7 Tesla 1200 Dipolmagnete 8,6T je 15m, 24t (bis 2005) 6,3km

22 8,6km CERN

23 Magnetresonanz-Tomographie IGC MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten

24 NMR-Spektroskopie Kernspin-Resonanz bei 900 MHz/21Tesla für chemische Analyse mit Nb 3 Sn-Spule für höchste Magnetfelder NMR-Spektrum

25 "Hochtemperatur"-Supraleiter 1986 erster HTSL (LaBa) 2 CuO 4 A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987 W. Bednorz A. Müller Nobelpreis Ende Supraleiter mit T c > 90 K

26 Die wichtigsten HTSL CuO2-Ebenen tragen die SL YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO oder Y-123) 93 K Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K YBCO Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K

27 Erweiterte Grenzen

28 Teil Part 1: 1: Part 1: Rohling Precursor Precursor herstellen Fabrication Fabrication Herstellung von BSCCO-Leitern Powder Pulver-Herstellung Production Sealing Bolzen versiegeln in Billet Draht Deformation ziehen Powder Production Sealing in Billet Deformation Rebundling neu bündeln Deformation neu ziehen Rebundling Deformation Teil Part Part 2: 2: 2: Microstructure Microstructure Metallurgie Engineering flach Rolling walzen Rolling Wärmebehandlung Heat Treatment Heat Treatment REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

29 BSCCO-Leiter HTS Filaments BSCCO filaments Matrix Ag or Ag alloy Kabel aus 170 Leitern Leiter-Vergleich mit Kupfer REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

30 Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht Umspannwerk Detroit-Frisbee 3-adriges SL Kabel 360 m lang (Pirelli + American Superconductor)

31 MRT-Spule aus BSCCO-Draht offenes System für seitlichen Zugang (Operationen) (Siemens +Oxford Instruments)

32 YBCO Dünnschichten "Garching-Verfahren" Heizer 700 C O 2 Sauerstoff rotierendes Substrat Vakuum zur Vakuumpumpe Yttrium Barium Kupfer Verdampfer 230 mm kostengünstig durch Vielfach-Prozess hohe Qualität und Reproduzierbarkeit

33 Filter aus YBCO-Dünnschichten Mobilfunk - Stationen Satelliten - Kommunikation Filter höchster Trennschärfe Satelliten-Transponder (Bosch/Astrium+THEVA)

34 Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten schnelle Absicherung in der Energietechnik erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen (Siemens +THEVA +TU München)

35 Wirkungsweise von Strombegrenzern Strom (A) Spannung Strom Spannung (V) Zeit (ms)

36 THErmal EVAporation = THEVA GmbH gegründet Vollzeit-Mitarbeiter YBCO Filme Produkte Beschichtungsanlagen J c -Scanner F&E: Bandbeschichtung Energietechnik-Anwendungen Mikrowellen

37 Neuere Entwicklung: MgB2 Magnesium Bor Magnesium-Diborid Tc=39K einfache Verbindung Standard-Chemikalie "Matratze"

38 Ganz neu: Dotierung durch Feldeffekt Isolator ñ Spannung Kontakt ï ï ï ï ï ï ï Kontakt C 60 CHBr 3 Probe ï Spannung Fulleren mit Bromoform (CHBr 3 ) 117K Polythiophen (Polymer-Plastik) 2,6K weitere Modifikationen des Kohlenstoffs? Nano-Röhrchen?

39 Schlussbemerkung Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik "klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt "Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich Die SL sind immer gut für Überraschungen