Helmut Kinder

Technische Universität München, D-85747 Garching,

und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching

Supraleiter-

von der Wissenschaft zur Technologie

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

Was sind Supraleiter?

Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand

Bewegung der Elektronen ohne Reibung

Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch

Magnete

Supraleiter

Mit Kamerlingh Onnes fing alles an

1911 Entdeckung der Supraleitung

1913 Nobelpreis

Hg

1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C)

Entwicklung der Sprungtemperatur

"klassische" SL

"Hochtemperatur"-Supraleiter

flüss. Stickstoff

Wie funktioniert Supraleitung?

Erklärung nur durch Quantenmechanik

die klassische Physik versagt!

Supraleitung ist die Spielwiese der QM

SL

QM

Schnellkurs in Quantenmechanik

Newton 1704: Licht-Teilchen

Huygens 1691: Licht-Wellen

Planck 1900: Licht-Quanten E = hν

Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen !

dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten

Quadrat? Kreis? Zylinder!

Beugung am Regenschirm

Beugungs-Experimente mit Quanten

Quelle Doppelspalt Schirm

wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen

Elektronen im Supraleiter

Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren

alle Paare zusammen bilden klassische Welle:

"Cooperpaare"

" Makroskopischer Quantenzustand "

Wellen auf dem Ring

n=1 n=2 n=3 usw...

Wellenlänge muss auf den Umfang passen:n 2 r

Wellenlänge I mpuls Strom Magnetfl uss

d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ 0

0n

Flussquantisierung: Experiment

Doll und NäbauerMünchen 1961

15 20

h2 10 Tesla m

e2

Magnetfl

uss

im

Rin

g

äußeres Magnetfelderster Beweis

für Paare!

Josephson-Effekt

2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren

empfindlichstes Messinstrument überhaupt

Superconducting QUantum Interference Device, SQUID

Engstellen B

Strom

Magnetfeld B (10-5T)Str

om

"gleichnamige Ladungen stoßen sich ab"

Die Paar-Anziehungskraft

- gilt nicht im Festkörper!

"Matratzenbild":

klassische SL: Gitterdeformation

HTSL: magnetische Wechselwirkung

BCS-Theorie

J. Bardeen L. N. Cooper R. Schrieffer

Paare sind miteinander "verzahnt"

Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt"

wegen Pauliprinzip

Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom !

Demonstration dazu

bei Anwendungen wird es kritisch

SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen !

Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt

B=0

Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe verdrängt

WaltherMeissner

sonst kein SL Zustand möglich

Ursache: der Meissner-Effekt

irgendwann geht dem SL "die Luft aus": kritische Feldstärke

Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld immer mehr

Die Supraleiter zweiter Art das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt

SL bildet Flussquanten

weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie

Kritische Feldstärke erhöht sich stark

Kritische Felder von SL 2. Art

T in Kelvin

Bc

in T

esl

a

der erste technische Durchbruch

"Stabilisierung" bringt technische Reife

NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen

Vieldraht-Leiter

14 000 Einzeldrähte

NbTi in CuNi-Hülle20x

Beschleuniger-Magnete

Hera-Tunnel, DESY, Hamburg

4,7 Tesla 6,3km

LHC-Projekt, Genf1200 Dipolmagnete 8,6Tje 15m, 24t (bis 2005)

8,6km

CERN

IGC

Magnetresonanz-Tomographie

MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten

NMR-Spektroskopie

Kernspin-Resonanz

bei 900 MHz/21Tesla

für chemische Analyse

mit Nb3Sn-Spule

für höchste Magnetfelder

NMR-Spektrum

"Hochtemperatur"-Supraleiter

Nobelpreis Ende 1987

A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987

1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4

W. Bednorz A. Müller

1987 Supraleiter mit Tc > 90 K

Die wichtigsten HTSL

Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K

Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K

HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K

YBa2Cu3O7 (YBCO oder Y-123) 93 K

YBCO

CuO2-Ebenentragen die SL

Erweiterte Grenzen

Heat TreatmentRolling

Deformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling

Part 1:Precursor

Fabrication

Part 2:Microstructure

Engineering

Heat TreatmentRolling Heat TreatmentRolling

Deformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling

Part 1:Precursor

FabricationDeformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling Deformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling

Part 1:Precursor

Fabrication

Part 2:Microstructure

Engineering

Herstellung von BSCCO-Leitern

Heat TreatmentRolling

Deformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling

Part 1:Precursor

Fabrication

Part 2:Microstructure

Engineering

Heat TreatmentRolling Heat TreatmentRolling

Deformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling

Part 1:Precursor

FabricationDeformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling Deformation

Powder Production Sealing in Billet Deformation

Rebundling

Part 1:Precursor

Fabrication

Part 2:Microstructure

Engineering

REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

Teil 2:

Metallurgie

Teil 1:

Rohling

herstellen

Pulver-Herstellung Bolzen versiegeln Draht ziehen

neu bündeln neu ziehen

flach walzen Wärmebehandlung

BSCCO-Leiter

Leiter-Vergleich mit Kupfer

Kabel aus 170 Leitern

Matrix• Ag or Ag alloy

HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments

Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc

Matrix• Ag or Ag alloy

HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments

Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc

HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments

Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc

REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht

(Pirelli + American Superconductor)

Umspannwerk Detroit-Frisbee 3-adriges SL Kabel360 m lang

MRT-Spule aus BSCCO-Draht

(Siemens

+Oxford Instruments)

offenes System

für seitlichen

Zugang

(Operationen)

YBCO Dünnschichten

230 mm

kostengünstig durch Vielfach-Prozess

hohe Qualität und Reproduzierbarkeit

Heizer700°C

O2 Sauerstoff

Verdampfer

Yttrium

rotierendes

"Garching-Verfahren"

Vakuumpumpezur

Vakuum

Substrat

BariumKupfer

Filter aus YBCO-Dünnschichten

Filter höchster Trennschärfe

(Bosch/Astrium+THEVA)

Mobilfunk - Stationen

Satelliten - Kommunikation

Satelliten-Transponder

Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten

schnelle Absicherung in der Energietechnik

erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen

(Siemens

+THEVA

+TU München)

Wirkungsweise von Strombegrenzern

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Zeit [ms]

-700

-500

-300

-100

100

300

500

700St

rom

[A

]

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

Span

nung

[V

]

SpannungSpannungStromStrom

Zeit (ms)

Str

om

(A

) Sp

an

nu

ng

(V)

THErmal EVAporation = THEVA GmbH

ProdukteProdukte

YBCO FilmeYBCO Filme

BeschichtungsanlagenBeschichtungsanlagen

JJcc-Scanner-Scanner

F&E:F&E:

BandbeschichtungBandbeschichtung

Energietechnik-AnwendungenEnergietechnik-Anwendungen

MikrowellenMikrowellen

gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter

www.theva.com

Neuere Entwicklung: MgB2

einfache Verbindung

Standard-Chemikalie

Magnesium

Bor

Magnesium-DiboridTc=39K

"Matratze"

Die SL sind immer gut für Überraschungen

Schlussbemerkung

Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik

"klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt

"Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich