Hoch-Temperatur Supraleitung: Vom Strom ohne Widerstand zum schwebenden Magneten (mit Demonstration)

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Ewald Rosenberg
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1 Hoch-Temperatur Supraleitung: Vom Strom ohne Widerstand zum schwebenden Magneten (mit Demonstration) Dr. E. Arrigoni Theoretische Physik I (Lehrstuhl Prof. Dr. W. Hanke) Institut fur Theoretische Physik der Universitat Wurzburg Inhalt: Beschreibung des Phänomens Experiment Was heißt "hoch-" Temperatur? Anwendungen Theoretisches Verständnis: "Konventionelle" vs. "Hoch-Temperatur" SL Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

2 Meissner Effekt Magnetfeldlinien o -196 C = 77 K Supraleiter I Magnet Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

4 Supraleitung -> Verlustfreier Stromtransport N I Normales Metall: - t / I(t) =I 0 τ e τ = L /R τ (typ. ~ s) Supraleiter I(t)=I 0 konstant! Für I >I 0 c : kritischer Strom wird zum Normalleiter

5 Institut für Theoretische Physik Für H > H c1 "Supraleiter II Art" aber H < H c2 Supraströme Flußschläuche Supraleiter H Für H > H c2 verliert der Supraleiter seine Eigenschaften

6 Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

7 Fluss. Stickstoff.. Abkuhlung durch flussigen Stickstoff.. Abkuhlung durch flussigen Helium Hochtemperatur Supraleiter Fluss. Helium "Konventionelle" Supraleiter

8 (Quelle: Japan. Wirtschaftsministerium) Medical Others Elecronics Transport Energy Elecronics: Ultraschnell Computer-Logik, Magnetfeldsensoren (SQUIDS) Energy: Transport: Medical: Speicher fur elektrische Energie Magnetschwebebahn Computertomographie, Sensoren fur Gehirn- und Herzstrom Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

9 Institut für Theoretische Physik Anwendungen der Supraleiter: Hohe Magnetfelder ( > 2 Tesla ) Kernspinresonanz Festkörperforschung Medizin: NMR-Tomographie Teilchenbeschleuniger Magnetschwebebahn Kontrollierte Nuklearfusion Energiespeicher Empfindliche Meßgeräte Magnetometer (empf T) Galvanometer (empf V) Filter für elektromagnetische Wellen Schalt- und Speicherelemente Supraleitende Ringe als Speicher von Bits Steuerung durch Magnetfelder

10 Strom und Widerstand Stromrichtung Elektron Gitter-Ion (bewegt sich) (Fest)

11 Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

12 Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

13 Paarung von Elektronen?!? 1 Elektron im Ionengitter 2 Elektronen Gewinn von elastischer Energie durch Paarbildung Anziehung durch Austausch von "Gitterwellen" (Phononen)

14 Isotopeneffekt: Effektive Anziehung Sprungtemperatur T ~ M -1/

15 Paarbildung, Ordnung und Supraleitung Kohärenter Zustand : Zum streuen muß ein Cooper Paar gebrochen werden! Bindungenergie > k T Β

16 La 2 Cu O 4 CuO 2 -Ebene La Cu O 2- Kristallstruktur PHASENDIAGRAMM: Dotierung x 60 "Antiferromagnet" (isolator) leiter Supra x = Sr Konzentration 0.3 Sr 2+ e - La 2-x Sr x Cu O 4. Temperatur

17 Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg einfacheres

19 Cu O 2p σ CuO 2 -Ebene 2p σ Effektives Modell 3d 2 2 x - y = Elektron mit spin t ~ 0.5 ev "Hüpfamplitude" Coulombabstoßung U ~ 5-10 ev Isolator bei x=0

20 Antiferromagnetismus in den CuO Ebenen 2 Superaustausch Energie: -J ~ 100 mev x=0 Néel Ordnung Cu d x 2-y 2 -Orbital Elektron mit Spin O p-orbital (als "Brücke") Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

21 U Superaustausch Energie Coulombabstoßung U unterdrückt Doppelbesetzung Antiparallel = x p>h (Heisenb.) t Energie Absenkung durch Delokalisierung Superaustausch Energie t U 2 J~ - ~100 mev Parallel = Verboten durch Pauli Prinzip! Institut für Theoretische Physik Universität Würzburg

22 . Loch-Dotierung (x>0) und Stromtransport 2+ 1 Loch (vom Sr ) Loch Lochbewegung

23 Lochdotierung und Paarbildung. X X X Loch X (vom Sr 2+ ) 1 Loch Energieverlust 4J -J -J -J X X X X X X X.. 2 Locher Energieverlust bei Paarbildung.. der Locher 7J (anstatt 2 x 4J) Energie Gewinn durch Paarbildung J

24 Institut für Theoretische Physik Relevante Fragen: (1) Was ist der Mechanismus für die Paarbildung: Austausch von Antiferromagnetischen Fluktuationen ("Magnonen") (2) Wie bildet sich der Kohärente Zustand??

25 Die SO(5) Theorie der Hochtemperatursupraleitung [S.-C. Zhang, Science 275, 1089 (97)] [W. Hanke, R. Eder, E. Arrigoni, Phys. Bl. 54, 436 (98)] Analogie: t (Zeit) vs. r (Raum) In Prinzip zwei in Beziehung stehende aber unterschiedliche Größen Relativitätstheorie : X = c t Eine Lorentztransformation "rotiert" r "Vierervektor" c t r Gibt es eine Ähnliche Beziehung Zwischen Antiferromagnetismus (AF) und Supraleitung? (SL) "Superspin" Vektor = AF SL (3 Komp.) (2 Komp.) AF Drehung? x: Dotierung SL

26 Hochtemperatursupraleiter "Konventionelle" Supraleiter T c ~ 100 K T c < 20 K Paarbildung der Löcher durch reinem elektronischem (magnetischem) Mechanismus Paarbildung durch Gitterschwingungen "Phononen" Magnetische Energie J ~ 100 mev Phononen Energie D~20 mev Radius der Paare Mittl. el. Abstand ~ 1 Radius der Paare Mittl. el. Abstand ~ 1000 Paare mit "d"-wellen Symmetrie Paare mit "s"-wellen Symmetrie

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