0. Einleitung. Prof. Dr. Paul Seidel VL Supraleitende Materialien SS

Transkript

1 0. Einleitung 1

2 Supraleitung 1911 entdeckt, seitdem viele neue Effekte, Theorien, Materialien Gehört zu den innovativen Querschnittstechnologien Anwendungen gewinnen zunehmend an Bedeutung (Energie und Ökologie) Weltmarktentwicklung 2

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5 Magnetresonanztomografie (MRT) 5

6 [P. Komarek] 6

7 [RWE] 7

8 Vectorview Neuromag (Helsinki, Finnland) [Biomagnetisches Zentrum Jena] 8

9 Einführung Historische Entwicklung Charakteristische Eigenschaften Materialien:Strukturen und Eigenschaften Materialentwicklung Herstellungstechnologien Anwendungsbeispiele 9

10 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,

11 P.J. Lee (Ed.), Engineering Superconductivity, Wiley, New York, 2001 R.N. Bhattacharya, M. P. Paranthaman(Eds.), High TemperatureSuperconductors, Wiley VCH, Weinheim, 2010 X. G. Qiu (Ed.), High-temperaturesuperconductors, Woodhead, Oxford, 2011 u.v.a.m. 11

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14 [ Uni Leiden ] 14

15 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 ( Begriff des supraleitenden Zustandes). 15

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18 Die ersten Messungen der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Supraleitern -das sind die kritische Stromdichte, das kritische Magnetfeld (H c ) und die Dauerströme(kein zeitliches Abklingen) - wurden durchgeführt in Leiden ( H. Kamerlingh Onnes). 18

19 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 H c der SL-I) 19

20 [ A. Carrington] 20

21 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 I c und H c nicht unabhängig sind 1930: W. Meissner, H. Franz (PTR, Berlin) entdecken die Supraleitung von Nb (9,2 K) 21

22 1933: W. Meissner und R. Ochsenfeld fanden, dass die magnetische Flussdichte (Induktion) aus dem Inneren eines Supraleiters herausgedrängtwird. Das heißt im Inneren eines Supraleiters wird die magnetische Suszeptibilitätχ= -1. Supraleiter sind also ideale Diamagneten. Innenfeld B I 0 Typ I -Supraleiter B C Außenfeld B A 22

23 [ A. Carrington] 23

24 Ein Dauermagnet wird auf einen Supraleiter in einem Stickstoffbad gelegt. Abschirmströme werden erzeugt, die ein Magnetfeld erzeugen, welches den Permanentmagneten schweben läßt. ( /super/levitation/) 24

25 1934/35: Shubnikov schlug vor, dass in sogenannten Typ-II-Supraleiternder magnetische Fluss in Form von einzelnen Flusslinien (auch Vortices, oder Fluss- Schläuche) beginnt oberhalb eines bestimmten Magnetfeldes H c1, des unteren kritischen Feldes, in den Supraleiter einzudringen. Der Supraleiter ist dann in der sogenannten Vortexphase, Mischphase oder Shubnikov- Phase. 25

26 Typ II -Supraleiter mittleres Innenfeld B I 0 B C1 B C2 Außenfeld B A 26

27 Aus der Bohrschen Quantisierungsbedingung folgt für einen supraleitenden Ring bzw. SL umschlossenen NL-Bereich ( z. B. einen Wirbelkern!) die Flussquantisierung Φ= n Φ 0 27

28 Φ 0 = Plancksches Wirkungsquantum 2 Elementarladungen (= Ladung des Cooperpaares) Φ 0 = 2, Vs = 2, T m 2 = 2, V s = 2,07 mv ps 28

29 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 "London- Eindringtiefe". 29

30 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 30

31 1941: G. Aschermann u.a. entdecken die Verbindung NbNmit Tcvon 15 K oberhalb des Tripelpunktes von Wasserstoff, so dass erstmals prinzipiell auf flüssiges Helium als Kühlmittel verzichtet werden könnte 31

32 1946: J. G. Daunt und K. Mendelsson fanden erste Hinweise auf eine Energielücke im Anregungsspektrum der Normalleitungselektronen eines Supraleiters. 32

33 1950: E. Maxwell, C. A. Reynolds zeigten das Auftreten eines Isotopeneffektes (auch Isotopieeffekt) als Abhängigkeit der kritischen Temperatur T c von der Masse M der Isotope eines supraleitenden Elementes 33

34 1950: H. Fröhlich schlug eine Elektron-Phonon- Wechselwirkung als Mechanismus der Supraleitung vor und konnte damit den Isotopeneffekt erklären. [INTERNATIONAL INSTITUTE OF BIOPHYSICS ] 34

35 1950: Durch V. L. Ginzburg und L.D. Landau erfolgte die Entwicklung einer Theorie der Phasenumwandlungen zweiter Ordnung: räumliche Änderungen eines Ordnungsparametersin Zusammenhang mit der sogenannten Kohärenzlänge. Einführung des Ginzburg-Landau Parameters. 35

36 1954 baut G. B. Yntema(Uni Illinois) aus Niob-Draht den ersten supraleitenden Magneten mit 0,71 4,2 K 1956: D. A. Buck realisiert ein Kryotron, SL-Schalter, aus Niobdraht-Grundbaustein logischer Schaltungen Kryotron [W. Buckel] 36

37 1956: L.N. Cooper bewies theoretisch, dass jede anziehende Wechselwirkung zwischen Elektronen in gebundenen Elektronenpaaren resultiert, (sogenannten Cooperpaaren). 37

38 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 38

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40 1957: A. A. Abrikosov berechnete eine Lösung der GL-Gleichung -ein regelmäßiges Gitter einzelner Flusswirbel (Vortex, Flussschlauch) 2003: 40

41 1960: S. Autler (MIT) baut einen supraleitenden Magneten mit 2,5 4,2 K und nutzt eine SL-Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes für einen Festkörper-Maser 1962: kommerzieller NbTi-Draht (Westinghouse) 41

42 1960: I. Giaever untersuchte das Quasiteilchen-Tunnelndurch eine Barriere zwischen Normalleitern und Supraleitern und zeigte die Existenz der Energielückedes Supraleiters. 42

43 1962: B. D. Josephson zeigte theoretisch, dass auch Cooperpaaredurch eine dünne Barriere zwischen zwei Supraleitern tunneln können und sogenannte "Josephsoneffekte" hervorrufen 43

44 1963: S. Shapiro gelingt der indirekte Nachweis des acjosephsoneffektes (Shapirostufen) 1965: D. N. Langenberg, D. J. Scalapino, B. N. Taylor und parallel L.K. Yanson, V. M. Svistunov, J. M. Dmitrenkogelingt der direkte Nachweis der Josephsonstrahlung 44

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46 1974: J. R. Gavaler, M. A. Janocko, C. K. Jones erreichen mit der A15- Verbindung Nb 3 Ge das bis dahin höchste T c von 23,2 K Theoretiker beweisen eine 30 K-Grenzefür die Supraleitung 46

47 1980 entdecken D. Jerome et al. den ersten organischen Supraleiter (PF 6 -TMTSF mit T c = 0,9 K) (TMTSF) 2 -PF 6 47

48 1983 erster supraleitender Beschleunigerring am Fermi National Accelerator Lab mit 774 Dipolmagneten (je 6 m ) und 210 Quadrupolmagneten 48

49 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 49

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51 [ A. Carrington ] 51

52 1987: M. K. Wu,..., C. W. Chu entdecken YBa 2 Cu 3 O 7-x (YBaCuO, YBCO; Y-123) mit einer Sprungtemperatur Tc = 92 K, deutlich über der Siedetemperatur des Stickstoffs (77,2 K) 52

53 1988: H. Maeda et al. entdecken Bi 2 Ca 2 Sr 2 Cu 3 O 10+x (BSCCO, Bi-2223) mit T c = 110 K S.S.P. Parkin, V.Y.Lee finden Tl 2 Ca 2 Ba 2 Cu 3 O 10+x (TBCCO, Tl-2223) mit T c = 125 K [ K. Conder ] 53

54 1991/92: R. Kleiner, P. Müller entdecken die intrinsischen Josephsoneffekte in den stark anisotropen HTSL 54

55 1991: A. F. Hebbardet al.; M. J. Rosseinsky et al. finden Supraleitung in alkalidotierten Fullerenen K 3 C 60 mit T c = 18 K Rb 3 C 60 mit T c = 28 K [ S. Saito] 55

56 1993: S. N. Putilin, E.V. Antipov, M. Marezioet al. finden das Hg-HTSL- System A. Schilling et al. Hg mit Tc= 133 K C. W. Chu et al. unter Druck von 30 GPaein T c von rund 162 K [ T. Carrington] 56

57 2001: J. Nagamatsu, N. Nakagawa, T. Muranaka, Y. Zanitani, J. Akimitsu finden, dass die seit den 50er Jahren bekannte und kommerziell erhältliche intermetallische Verbindung MgB 2 bei knapp 40 K supraleitend wird 57

58 2008 H. Hosonoet al. Tc=26 K Geschichtete Eisen- Arsen-Verbindungen Verbindungen der Stickstoffgruppe (N) Elektronendotiert (inzwischen auch lochdotierte SL) Mehrere Familien (1111, 111, 11, 122) La-1111 [Johrend, Pöttgen] 58

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60 [R. Mitsuhashi et al., Science 2010] 60

61 [arxiv ] 61

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