Hochtemperatur - Supraleiter

Transkript

1 Hochtemperatur - Supraleiter

2 Vergleich: Leiter - Supraleiter Elektrischer Leiter: R ändert sich proportional mit T Supraleiter: unterhalb von Tc schlagartiger Verlust des Widerstands Supraleitung Sprungtemperatur T c

3 Supraleitfähige Materialien Hochtemperatursupraleiter

4 BCS - Theorie Bardeen, Cooper, Schriefer, 1957 Attraktive WW zwischen Elektron und Atomrümpfe (Coulomb WW) Durch Massenträgheit bedingte langsame Reaktion der Atomrümpfe lokale Gitterpolarisation attraktive WW auf ein weiteres Elektron starke Elektron Phonon WW durch Gitterschwingung vermittelte WW zwischen e - mit entgegengesetztem Spin Cooper Paare (nur bis ca. 40 K)

5 BCS - Theorie Quantenmechanische Interpretation: Ganzzahliger Spin eines Cooper-Paares (Boson) Pauli-Prinzip gilt nicht mehr Cooper-Paare folgen Bose-Einstein-Statistik wechselwirkungsfreier Teilchen Ein gemeinsamer quantenmechanischer Zustand Beschreibung durch eine einzige Wellenfunktion Durch Kopplung der Elektronen tiefer gelegenes Energieniveaus im Vergleich zu einzelnen Elektronen Energiedifferenz entspricht benötigter Energie zur Spaltung eines Cooper-Paares diese ist größer als durch Streuung vermittelbare Energie kein Energieverlust durch Streuprozesse verlustfreier Stromfluss

6 Grenzen der Supraleitung Supraleitung ist abhängig von: Temperatur T c Stromdichte I c überschreitet Strom kritischen Wert I c bricht Supraleitung zusammen magnetische Feldstärke Zusammenbruch bei Überschreitung der kritischen Magnetfeldstärke H c (entweder äußeres Feld oder Feld erzeugt durch Suprastrom)

7 Meissner-Ochsenfeld-Effekt

8 Meissner-Ochsenfeld-Effekt Supraleiter 1. Art Magnetisierung wird proportional zur Magnetfeldstärke immer negativer H c überschritten Normalleiter Supraleiter 2. Art schleppender Übergang nach H c1, zwischen H c1 und H c2 dringt magnetischer Fluss in Form von Flussschläuchen ein Vortex/Shubnikov-Phase

9 Josephson-Effekt zwei Supraleiter sind durch dünne Isolierschicht voneinander getrennt: Cooper-Paare tunneln mit Phasendifferenz SQUID ohne äußeres Magnetfeld befinden sich beide Supraströme in Phase Phasendifferenz durch äußeres Magnetfeld Interferenz beider Ströme (konstruktiv/destruktiv) empfindliche Messung des äußeren Magnetfeldes möglich

10 Hochtemperatur-Supraleiter 3 x Perowskit YBa 2 Cu 3 O 8 YBa 2 Cu 3 O 7 Ba Y Ba

11 YBa 2 Cu 3 O x Hochtemperatur-Supraleiter CuO-Ketten Anzahl von O in Ketten kann genau eingestellt werden (O1) x=7: voll besetzt x<7: teilweise besetzt (Fehlstellen) x=6: völlig unbesetzt CuO 2 -Ebenen (Cu 2+ ) Supraleitung parallel zu CuO 2 Ebenen CuO-Ketten B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321.

12 Hochtemperatur-Supraleiter Statistische Anordung der O-Atome a und b-achse nicht mehr unterscheidbar Tetragonale Struktur Ausbildung regelmäßiger orthorhombischer Überstrukturen B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321.

13 Hochtemperatur-Supraleiter Sauerstoffdotierung Position 1: 2 Cu 1+ 2 Cu 2+ (lokaler Ladungsausgleich) Position 2: 1 Cu 1+ 1 Cu 2+ 1 Cu 2+ 1 Cu 3+ (instabiler als Cu 2+ ) Entstehung von 1 Loch in CuO 2 - Ebene Position 3: Cu 2+ Cu 3+ (instabiler als Cu 2+ ) Entstehung von 2 Löchern in CuO 2 Ebene AF Ordnung verschwindet Lochkonzentration für beliebige O-Konzentration abhängig von Anordnung der O-Atome B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321.

14 Plateau bei 60 K??? Annahme: Ausbildung einer O2-Phase Besetzung nur Gitterplätze des O2- Untergitters bei x=6 danach statistisches Auffüllen restlicher Plätze (x>6.5) Berechnung liefert plateau-ähnliches Verhalten für 6.5 < x < 6.6 T c steigt mit zunehmender Lochkonzentration B. W. Veal et al., Physica C 184 (1991), 321.