Supraleitung, der Walzer der Elektronen

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Katarina Hausler
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1 Supraleitung, der Walzer der Elektronen Wolfgang Lang Fakultät für Physik der Universität Wien Forschungsgruppe Elektronische Materialeigenschaften

2 Der elektrische Widerstand Elektronen werden gestreut: a) an Defekten b) an Gitterschwingungen c) an anderen Elektronen Wie verhält sich der elektrische Widerstand bei sehr tiefen Temperaturen Widerstand [ ] 0 0 Temperatur [K] 50

3 Supraleitung Verschwinden des elektrischen Widerstands ( Supraleitung ) Kamerlingh-Onnes (1911) Nobelpreis für Physik 1913

4 Der elektrische Widerstand verschwindet Spannung U Strom I 3 0 mv 3 A Keramischer Supraleiter Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x Elektrischer Widerstand U R I

5 Der elektrische Widerstand verschwindet

6 Dauerstromexperiment Nachweis für den verschwindenden Widerstand im Supraleiter Bei genügend kleinem Magnetfeld: keine messbare Abnahme nach über 2 Jahren < cm

7 Ein Magnet schwebt über einem Supraleiter Flüssiger Stickstoff (-196 C) Permanentmagnet Supraleiter

8 Diamagnetismus von Supraleitern Verdrängung des magnetischen Feldes Meissner-Ochsenfeld (1933)

9 Typ-II Supraleitung B c2 Normalleitend Magnetfeld B c1 Shubnikov Phase Meissner Phase Temperatur Phasendiagramm von Typ-II Supraleitern U. Essmann und H. Träuble Physics Letters 24A, 526 (1967)

Flussquanten Abschirmströme können nur Vielfache des Flussquants h 0 2 10 2e

Blundell, Physics World (April 2011), p.

10 Flussquanten Abschirmströme können nur Vielfache des Flussquants h e einfrieren. 15 Wb Theoretische Vorhersage durch A. Abrikosov 1957 S. Blundell, Physics World (April 2011), p. 26 Experimenteller Nachweis 1961 unabhängig durch: Doll und Näbauer (München) Deaver und Fairbanks (Stanford) Nobelpreis für Physik 2003

11 Theoretische Erklärung - BCS Theorie Bardeen-Cooper-Schrieffer (1957) Nobelpreis für Physik 1972 Elektronenpaarbildung: Anziehung infolge retardierter Verformung des Kristallgitters (Austausch von virtuellen Phononen)

12 Ungeordnete Bewegung... Ausschnitt: Tokyo Shibuya (YouTube)

13 Kohärente Bewegung der Paare... Ausschnitt: Opernredoute 2013 (YouTube)

14 Die Kohärenzlänge... Ausschnitt: Opernredoute 2013 (YouTube)

gemeinsamen, kohärenten, makroskopischen

15 Cooper-Paare 2 Elektronen bilden ein Paar und werden dadurch zum Boson. Der Abstand (Kohärenzlänge) der 2 Elektronen ist viel größer als der Atomabstand. CNRS Alle Elektronenpaare bilden einen gemeinsamen, kohärenten, makroskopischen Quantenzustand. Zwischen Elektronenpaaren und einzelnen Elektronen entsteht eine Energielücke.

16 Historische Entwicklung von T c H2S 150 GPa

17 Entdeckung der keramischen Supraleiter Alex Müller und Georg Bednorz (1986) Nobelpreis für Physik 1987 Systematische Untersuchung von Perowskiten und verwandten keramischen Materialien La 1.85 Ba 0.15 Cu 4

18 Physik-Nobelpreise mit Bezug zur Supraleitung 1913 Kamerlingh-Onnes Materie bei tiefen Temperaturen 1962 Landau Theorie des flüssigen Heliums 1972 Bardeen, Cooper, Schrieffer Theorie der Supraleitung 1973 Esaki, Giaever, Josephson Tunneleffekte in Supraleitern 1978 Kapitza Tieftemperaturphysik 1987 Bednorz, Müller Keramische Supraleiter 1996 Lee, Osheroff, Richardson Suprafluidität in 3 He 2001 Cornell, Ketterle, Wieman Bose-Einstein Kondensat 2003 Abrikosov, Ginzburg, Leggett Theorie Supraleiter und -flüssigkeiten

19 Supraleitende Stromkabel Nexans Long Island Power Authority Teststrecke 138 kv, Leistung: 574 MW, Länge: 600 m

20 Supraleitender 15 Tesla Forschungsmagnet

21 Supraleitende Magnete Kernspinresonanztomografie Dipolmagnete im CERN 1232 Magnete aus NbTi auf 1.9 K gekühlt. 13 ka Strom liefert ein Magnetfeld von 8,3 T.

Schwebebahn mit supraleitenden Magneten Mit

0 über Wikimedia Commons - https://commons.

22 Schwebebahn mit supraleitenden Magneten Mit den finanziellen Möglichkeiten einer österreichischen Universität: Mit dem Budget von Japan Railway: JR-Maglev-MLX01-2 von Yosemite - Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons - Diplomarbeit A. Peherstorfer, Universität Wien Yamanashi Maglev Teststrecke, Japan, 43.8 km

23 Supraleitendes 3,8 GHz Filter K 77 K S 21 [db] Frequenz [GHz] Demonstrationsfilter für Satellitenkommunikation: hergestellt mit MIBS (masked ion beam direct structuring) von YBCO

24 Kommerzielles Filter für Mobiltelefon-Basisstationen Dewar mit Filtern und Vorverstärkern Kühlgerät Steuerungselektronik

25 SQUID Josephson- Kontakte Strom magn. Fluß Magnet Brian D. Josephson Physik-Nobelpreis 1973 MIT Paleomagnetismuslabor R. W. Simmonds, Nature 492, 358 (2012) Superconducting Quantum Interference Device

75 μm Nb-Technologie 70 000 Josephson Kontakte 14 mw Verlustleistung 4 Qubits aus

26 Flußquantencomputer Supraleitender 20 GHz 8-bit RSFQ Mikroprozessor (SUNY und TRW, 2002) 1.75 μm Nb-Technologie Josephson Kontakte 14 mw Verlustleistung 4 Qubits aus Al auf Saphirsubstrat mit Al AlO x Al Josephson junctions. Verschränkte Zustände von 3 Qubits wurden demonstriert. M. Neeley et al., Nature 467, 570 (2010)

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Literatur 1.) Werner Buckel, Reinhold Kleiner Supraleitung, Grundlagen und Anwendungen Wiley-VCH Verlag, ISBN 3-527-40348-5 2.) Michael Tinkham Introduction to superconductivity Dover Publications, Inc.,