1

SUPRALEITUNG

K.ConderLDM ETH/PSI

2

Isolator

Halbleiter

Leiter

Supraleiter

3

Temperatur

Wid

erst

and Kelvin (1902)

Matthiessen (1864)

Dewar (1904)

Elektrische Widerstand bei tiefen Temperaturen

Kelvin: die Elektronen werden„eingefroren“ und der Widerstand steigt (bis zu ∞).

Dewar: das Kristallgitter wird „eingefroren“- die Elektronen werden nicht gestreut. Der Wiederstand nimmt kontinuierlich ab (bis zu 0).

Matthiesen: Restwiderstand durch Verunreinigungen im Kristallgitter.

4

Supraleitung-die Entdeckung•Verflüssigung von Helium (4K) (1908)

•Supraleitung in Hg TC=4.2K (1911)

„Mercury has passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconducting state“H. Kamerlingh Onnes 1913 (Nobelpreis 1913) Widerstand R=0 unterhalb

von TC; (R<10-23 Ω⋅cm, 1018-mal kleiner als für Cu)

5

1x10-8

1x10-7

1x10-6

1x10-5

1x10-4 1 10 100 1000

Temperatur [K]

Cu

PbW

iede

rsta

nd [Ω

cm]

Leiter und Supraleiter

In einigen Materialien fällt beim Abkühlen der Elektrische Widerstand sprungartig auf NullWiderstand <10-23 Ωcm

Verunreinigungen und Gitterdefekte sind verantwortlich für einen Restwiderstand

Der elektrische Widerstand von Metallen nimmt mit sinkender Temperatur ab

6

Weitere Entdeckungen

1986 (Januar): Hochtemperatur-Supraleiter (LaBa)2 CuO4 TC=35K

K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon) (Nobelpreis 1987)

1987 (Januar): YBa2Cu3O7-x TC=93K

1987 (Dezember): Bi-Sr-Ca-Cu-O TC=110K,

1988 (Januar): Tl-Ba-Ca-Cu-O TC=125K

1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O TC=133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich)

1911-1986: “Tieftemperatur-Supraleiter”Höchste TC=23K für Nb3Ge

7

8

1920 1940 1960 1980 20000

20

40

60

80

100

120

140

Cs2RbC60

MgB2

LHe

Flüssiger Stickstoff

HgBa2Ca2Cu3O8

Tl2Sr2Ca2Cu3O10

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

YBa2Cu3O7

La2-xSrxCuO4

Ba1-xKxBiO3

BaPb1-xBixO3NaxWO3NbO

Nb3GeNb3SnNbN

NbPbHg

T C [K

]

Jahr

9

Fundamentale Eigenschaften

R=0 unterhalb TC

0 20 40 60 80 100 120 140

0.000

0.005

0.010

YBa2Cu3O6.98

Wie

ders

tand

[Ohm

]

Temperatur [K]

Tc(onset)=94K

Tc(R=0)=78K

Ein induzierter Strom im Ring aus einem Supraleiter floss ohne messbare Verminderung während zweieinhalb Jahre!!!

10

Der Strom kann 100 000 Jahre fliessen!!

Nullwiderstand

Tiefe Temperaturen:LN2 -1960C (77K)

11

W. Buckel, „Supraleitung“.VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1990.

•In den beiden supraleitenden Ringen 1 und 2 wird über einen Induktionsvorgang ein Dauerstrom angeworfen•Der Strom versucht die beiden Ringe in paralleler Lage zu halten•Mit einem Torsionsfaden wird der innere Ring aus der Parallellage herausgedreht –der Torsionsfaden wird dabei verdrillt.•Es ergibt sich eine Gleichgewichtsage, bei der die Drehmomente von Dauerstrom und Torsionsfaden gleich gross sind.•Diese Gleichgewichtsage wird über einen Lichtzeiger beobachtet.•Nimmt der Strom in den Ringen ab, so würde der Lichtzeiger eine Vergrösserung des Winkels zwischen den Ringen zeigen.

Nullwiderstand II

12

Ein Supraleiter ist ein perfekter Diamagnet d.h. verdrängt vollständig ein Magnetfeld aus seinem Inneren

W. Meissner, R. Ochsenfeld (1933).

An der Oberfläche des Supraleiter (T<TC) werden supraleitende Abchirmströme angeworfen, welche ein Magnetfeld erzeugen, das im Inneren des Supraleiters das äussere Magnetfeld exakt kompensiert.

Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt

13

Der Meissner-Effekt II

Ein Magnet schwebt (lewitiert) über einem Supraleiter.

14

15

Ein Metall in einem Magnetfeld

16

Ein perfekter Leiter

After relaxation

time

17

Supraleiter

18

Was war zuerst das Ei oder das Huhn?

Ein perfekter Leiter

Der Meissner-EffektDie Abchirmströme fliessen ohne Energieverluste! Widerstand muss Null sein!!!

19

Beiträge zur spezifischen Wärme liefern Phononen und Elektronen.

Im normalleitenden Zustand ist:

cPhononen ~T³ und cElektronen ~T

Spezifische Wärme

Nach dem Übergang zur Supraleitung gilt:

cElektronen ~exp(-C/T) ,

was zu einem Sprung in der spezifischen Wärme führt.

Temperatur

Spez

ifis

che

Wär

me

cPh ~T³

cEle ~T

cEleS ~exp(-C/T)

SL

NL

TC

20

Supraleitende Elemente

•Die ferromagnetischen Materialien sind nicht supraleitend•Die guten Leiter (Ag, Cu, Au..) sind keine Supraleiter•Nb zeigt das höchste TC = 9.2K aller Elemente

21

Supraleitende Verbindungen

Fullerene C60

Elementarzelle von Cs2RbC60

RbCs

Verbindung TC [K]

Nb3Sn 18

Nb3Ge 23

NbO 2

NaxWO3 6

BaPb1-xBixO3 12

PbMo6S8 15

(LaSr)2CuO4 36

YBa2Cu3O7-x 93

HgBa2Ca2Cu3O8+x 135K3C60 19

Cs2RbC60 33

22

Nb3Ge (TC=23K)

Ge

Nb

Anordnung der Nb-Atome in Ketten parallel zur x-, y- und z-Achse. Diese orthogonalen Ketten schneiden sich nicht. In den Ketten haben die Nb-Atome einen kleineren gegenseitigen Abstand als im Gitter des reinen Nb.Elementarzelle der

β-Wolframstruktur (A15)

23

Das Klassische Model der Supraleitung

Die Verformung des Gitters bildet eine Region positiver Ladungsdichte, die wiederum ein zweites Elektron anzieht.

Ein Elektron, das an den Ionen des Gitters vorbeiwandert, kann dessen Lage verschieben. Das Elektron erzeugt ein Phonon.

Während einer Phononoszillation kann das Elektron eine Distanz von ~104Å zurücklegen. Das zweite Elektron wird angezogen ohne die Abstossungskraft des ersten Elektrons zu spüren.

Phononenfrequenz ~1012Hz, Elektron Gesch. ~108cm/s.(Licht 3·1010cm/s)

24

Cooper-Paare. BCS Theorie. IQuantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer 1957) Theorie Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu s.g.

Cooper-Paaren.

Zwei Kugeln auf einer gespannten Gummimembrane. Wenn eine der beiden Kugeln sinkt, bewegt sich auch die andere auf sie zu.

25

Cooper-Paare. BCS Theorie.II

Quantenmechanische BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer) Theorie Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu s.g. Cooper-Paaren. Da Gesamtimpuls Null ist, gibt es keinen Impuls- bzw. Energieverlust bei der Wechselwirkung mit der Gitter.

26

Fermie und Bose-Statistik

•Gasamtspin ist Null. C-P sind Bosonen. Das Pauli-Verbot gilt nicht mehr.

•Alle C-P dürfen den gleichen Quantenzustand mit gleicher Energie einnehmen.

Cooper-Paare bilden sich aus Elektronen mit entgegengesetzten Spins.

•Fermionen-, Teilchen mit halbzähligem Spin (z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen..)

•Das Pauli-Verbot -jeder Energiezustand wird nur mit zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins besetzt.

27

Bose-Einstein Kondensation

28

Warum sind die Supraleiter (TTSL) supraleitend?

Die Bewegung des C-P wird durch die Bewegung des gemeinsamen (zwei Elektronen!) Schwerpunktes beschrieben: im Stromlosenzustand ist er im Ruhestand, beim Stromtransport verschiebt er sich.

Die Bildung eines C-Paares ist für zwei Elektronen energetisch günstiger als unabhängiges Verhalten. Wird die Kopplung in einem C-P aufgehoben (z.B. durch Stoss mit einer Verunreinigung) so ist dies für beide Elektronen energetisch ungünstig.

Alle C-P befinden sich in gleichen Quantenzustand (Bosonen). Eine Verunreinigung oder Streuung an Gitterionen kann nicht den Quantenzustand für alle C-P gleichzeitig ändern (Kollektives Verhalten).

29

Die guten elektrischen Leiter werden keine SupraleiterBeim guten Leiter ist die Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem Gitter schwach. Für die Supraleiter ist die Elektron-Phonon-Kopplung wichtig.

BCS Theorie: einige Konsequenzen

IsotopieeffektDie C-Paarbildung wird über eine Gitterschwingung vermittelt. Diese Schwingung wird von der Masse der schwingenden Gitterionen abhängig.

TC~M-α

Für viele Tieftemperatur- Supraleiter α=0.5

30

BCS Theorie: Spezifische Wärme

Für die Supraleiter:

cElektronen ~exp(-Δ/kT) ,

2Δ=Eg – Energielücke. Bindungsenergie der Cooper-Paare.

Temperatur

Spez

ifis

che

Wär

me

cEleS ~exp(-Δ/kT)

SL

NL

TC

In BCS Theorie: 2Δ=3.5kTC

1eV entspricht einer Temp. ~12000K

Tc<20K Eg~1meV

Tc~100K Eg~5meV (Eg≈1.2eV für Si)

2Δ=Eg

EF

Cooper-Paare

31

Wann werden die Supraleiter nicht mehr supraleitend?

Hoche Temperaturen:starke Eigenschwingungen des Gitters arbeiten der Gitterpolarisation (Elektron-Phonon-Kopplung) entgegen.Magnetfeldern: das Magnetfeld kann

die Elektronenspins ausrichten. In C-P müssen die Spins entgegengesetzte Richtungen haben.

Ein fliesender Strom: erzeugt ein Magnetfeld und kann die Supraleitung verhindern.

32

Phänomenologische Theorie. London-Gleichungen

Die Beweglichkeit der Elektronen im elektrischen Feld

dJ/dt=E·n·e2/mErste Londonsche GleichungBeschreibt Widerstandlosesbehalten von Supraleitern: dJ/dt~E.Die Stromdichte J kann unendlich wachsen!

Zweite Londonsche GleichungIn einem Supraleiterinneren ist B=0. Das Magnetfeld kann nur teilweise in den Supraleiter eindringen (Oberflächeneffekt).

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

λxBB exp0

m- Ladungsträgermassen- Ladungsträgerdichtee- LadungE- Elektrisches Feld

33

Eindringtiefe

λ0

λ(T)=λ0*(1-(T/TC)4)-0.5

TCE

indr

ingt

iefe

λ

Temperaturλ bezeichnet die Stelle, wo B(x) auf den e-ten Teil des Oberflächenwertes abgefallen ist.

34

Kohärenzlänge

Die Kohärenzlänge bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Ladungsträger eines Cooper-Paares.

ξGL

ISL SL

x< ξGL

Die Kohärenzlänge bezeichnet die grösste nichtsupraleitende Strecke die Cooper-Paare durchtunneln können.

35

Josephsoneffekt: M-I-M. TunneleffektI

VINL NL

Ohmscher Kontakt

Legt man ein Potenzial an, so bekommt man an beiden Seiten des M-I-M-Überganges unterschiedliche Fermi Niveaus. Die isolierende Barriere könnte durchtunnelt werden. Der Tunnelstrom wird in diesem Fall linear vom Potenzial (der Spannung) abhängig.

V=0

V>0

N1(E) N2(E)

Metall-Isolator-Metall

EF

V

36

Josephsoneffekt: M-I-SL

I

VINL SL

T>TC

T=0

Δ/e

Wen das angelegte Potenzial grösser als Δ/e ist so könnendie Metall-Elektronen in das Energieband oberhalb der Lücke durchtunneln. Die Strom-Spannungs Charakteristik ist nicht mehr linear.

V>Δ/e

N1(E) N2(E)

Metall-Isolator-Supraleiter

2Δ

V=0

EF

V

37

Josephsoneffekt: SL-I-SLI

VISL SL

2Δ/e

I0

x

T=0

T>TC

Mit einer Erhöhung der Spannung könnte man ähnliche Tunneleffekte wie beim Metall-Isolator-Supraleiter Übergang erreichen.

2Δ

N1(E) N2(E)

V=0

EF

V>2Δ/e

Supraleiter-Isolator-Supraleiter

V

ξGL> x Tunneleffekt.Cooper-Paare können die Isolatorbarriere durchtunneln (unterhalb vom Kritischen Strom I0)

38

Ginzburg-Landau Parameter κ=λ/ξGL

Tc λ [nm] ξ[nm] κ

Al 1.2 16 1600 0.01Sn 3.7 34 230 0.16Pb 7.2 37 83 0.4

κ<1/√2=0.71 Supraleiter Typ I

Tc λ [nm] ξ[nm] κ

Nb 9.3 39 38 1Nb3Sn 18 80 3 27YBa2Cu3O7 93 150 1.5 100Rb3C60 30 247 2.0 124Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 200 1.4 143

κ>0.71 Supraleiter Typ II

39

Supraleiter Typ I (λ/ξGL<0.71) im äusseren Magnetfeld

Bi=Ba+μ0M

Supraleiter Bi=0

Normalleiter Bi=Ba

Negative Einheiten !

Das Feld im Inneren des Supraleiters

Das Feld, welches im Supraleiter aufgebaut wird,um das äussere Feld zu kompensieren

Äusseres Magnetfeld

40

Supraleiter Typ II im äusseren Magnetfeld

Flussliniengitter (vortex) in einem Typ-II-Supraleiter. Jede magnetische Flusslinie trägt ein elementares Flussquantum: Φ0=h/2e≅2.07·10-15Tm2

Bi=Ba+μ0M

41

Supraleiter Typ II. Die Struktur der Flusschläuche

Der Durchmesser der Flussschläuchen entspricht der Kohärenzlänge

Im Inneren sind die Flussschläuchen nicht supraleitend und das Magnetfeld kann sie durchdringen

Ein Supraleitender Strom fliesst um jeden Flussschlauch

EindringtiefeKohärenzlänge

42

Tieftemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm

STM (Scanning Tunneling Microscopy) Aufnahme des Abrikosov-Gitters in NbSe2

H. Hess, R.B. Robinson, and J.V. Waszczak, Physica B 169 (1991) 422

43

Typ IITyp I

44

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/Solids/

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅=

2

1)0(C

CC TTBB

45http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/Hbase/Solids/scbc2.html

70 104 −⋅= πμ T⋅m/A

46

47

Wechselwirkung der Flusslinien mit dem StromIn einem idealen Typ-II-Supraleiter übt ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft auf die Flusslinien aus. Die Driftbewegung der Flussschläuche verbraucht Energie und verursacht einen elektrischen Widerstand.

FL=j×φ0 FL-Lorenzkraftj-Stromdichteφ0-Flussquant

Die Defekten im Kristallgitter (z.B. Verunreinigungen) die nicht supraleitend sind, können die Flusslinien „verankern“. Das verhindert die Flusslinienbewegung, solange die Stromdichte einen kritischen Wert jC nicht überschreitet.

48

Hochtemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm

Ein HTSL zeigt zwei Bereiche der gemischten (FL-Flusslinien) Phase:

FL-Festkörper im Bereich Bc1(T)<B<Bm(T) sind die FL fest verankert.FL bilden reguläres Abrikosov-Gitter. Der SL kann einen Transportstrom j<jc verlustfrei tragen.

FL-Flüssigkeit. Die thermischen Fluktuationen „befreien“ die FL aus ihren Verankerungen. Der SL zeigt einem elektrischen Widerstand.

Die Schmelzlinie (irreversibility line)

49

Irreversibility lines for some of the most important HTS materials

50

HTSL. Widerstandsmessungen

Bi2Sr2CaCu2O8+x Tc=95KHuse, Fisher&Fisher, Nature, 358 (1992) 553

51

Hochtemperatur-Supraleiter

1986 : Bednorz and Muller discovery of new class of materials: cuprate (Cu oxides): Ba-La-Cu-O

1987 YBCO (Y-Ba-Cu-O)

Tc = 93K Bc2 ≈ 130 T

1988: BSCCO (Ba-Sr-Ca-Cu-O) 110 K

0 50 100 150

Com

poun

d

T c (K)

H g -1223T l-2223T l-1223B i-2223Y-123B i-2212

YBa2Cu3O7-x (Y-123)

Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212)

(Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi-2223)

TlBa2Ca2Cu3O9+x (Tl-1223)

Tl2Ba2Ca2Cu3 O10+x (Tl-2223)

HgBa2Ca2Cu3O8+x (Hg-1223)

Tb liquid nitrogen

HTc compounds have layered, strongly

anisotropic perovskite structure

52

Perovskite ABX3

X=O2-, F-, Cl-)A=alkali, alkali-earth and rare-earth metals, B=transition metals (also Si, Al, Ge, Ga, Bi, Pb…)

Perovskite is named for a Russian mineralogist, Count Lev Aleksevich von Perovski. The mineral (CaTiO3) was discovered and named by Gustav Rose in 1839 from samples found in the Ural Mountains.

X

A

B

53

Size effects( ) ( )

( )( )

( )""2

222

factortolerancerr

rrt

rrrra

OB

OA

OAOB

++

≡

+=+= Ionic radii are

available from: R.D. Shannon, Acta Cryst. A32 (1976) 751-767.

orthorhombic(GdFeO3)

cubic(SrTiO3)

hexagonal(BaNiO3)

GdFeO3 (t=0.81) BaNiO3 (t=1.13)

0.8 0.89 1.0

t

54

d1 perovskites

SrVO3 metal CaVO3 metal

LaTiO3 insulatorgap 0.2eV

YTiO3 insulatorgap 1.0 eV

55

Ruddlesden-Popper structures for n = 1, 2 and 3

Brownmillerite

Layered perovskites

(CaO)4(Al2O3)(Fe2O3)

Al/Fe

Ca

56

Hochtemperatur-Supraleiter. La2-xSrxCuO4

La, Sr

Cu

O

0.0 0.1 0.2 0.310

100

La2-xSrxCuO4

Isol

ator

Met

all

Ant

iferro

mag

net

Supraleiter

TN

TC

Tem

pera

tur [

K]

Sr-Gehalt x, (Löcher per CuO2-Einheit)

2SrO → 2Sr‘La + 2Ox

O + V••O

V••O+ 0.5O2→ Ox

O+ 2h•

(LaBa)2 CuO4 TC=35K K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon 1986 )

57

CuO2 -Ebenen 5fache Cu Koordination

CuO-Ketten 4fache Cu Koordination

Hochtemperatur-Supraleiter. YBa2Cu3O7-x

BaO

Y

Perovskite“YBa2Cu3O9”

58

59

X-Rays?Neutrons?

Scattering length

60

61

0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

Ion Current *10-9 /A

600 700 800 900 1000 1100Temperature /°C

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

DSC /(mW/mg)

86

88

90

92

94

96

98

100

TG /%TG

DTA[1]

[1]

[2]

↓ exoCO2

YBa2Cu3O6

Schmelze

Phasenumwandlung BaCO3

Die Synthese0.5Y2O3 + 2Ba2CO3 + 3CuO + x/2O2 → YBa2Cu3O6.5+x + 2CO2 + ΔH

Thermische Analyse

62

20 40 600

2000

4000

6000

8000

10000YBa2Cu3O7

Inte

nsity

2Θ

Sauerstoffgehaltanalyse:

•2Cu3+ + H2O → Cu2+ + 0.5 O2 + 2H+

•Jodometrie

•Wasserstoffreduktion

YBa2Cu3O6.5+x + 5H2 → 0.5Y2O3 + 2BaO + 3Cu +5H2O

Widerstand und Magnetisierungsmessungen

Röntgenanalyse. Phasenreinheit

Charakterisierung

20 40 600

2000

4000

6000

8000

10000

Inte

nsity

2Θ 20 40 60 80 100-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

Mag

netis

ieru

ng

Temperatur [K]

63

YBa2Cu3O6.5+x + 5H2 → 0.5Y2O3 + 2BaO + 3Cu +5H2O

YBa2Cu3O6.5+x + 5H2 → 0.5Y2O3 + 2BaO + 3Cu +5H2O

200 400 600 800 1000

92

94

96

98

100

2BaO+3Cu+Y2O3

2BaO+3Cu+Y2O3•H2O

Cu(met)+?

Wei

ght

[%]

Temperature [oC]

700 750 800 850 90091.5

91.6

91.7

Δx=0.01

64

Sauerstoffdoping in YBa2Cu3O7-x

6.0 6.2 6.4 6.6 6.8 7.00

20

40

60

80

100

Supraleiter

YBa2Cu3O7-δ

Tem

pera

tur [

K]

Sauerstoffgehalt (7-δ)

TC

200 400 600 800 100098.5

99.0

99.5

100.0

YBa2Cu3O6.985

Sau

erst

offg

ehal

t

Gew

icht

[%

]

Temperatur [oC]

6.4

6.6

6.8

7.0Thermogravimetrie

Sauerstoffgehalt ist von der Temperatur (und Sauerstoffpartialdruck) abhängig

65

Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x

Leitende CuO2-Ebene

Ladungsreservoir

Leitende CuO2-Ebene

Löcher

Elektronen

Löcher

2Cu2+ + 0.5O2 ↔ 2Cu3+ +O2-

2CuxCu + 0.5O2 ↔ 2Cu•

Cu + OxO

2Cu•Cu ↔ 2Cux

Cu + 2h•

Y

BaOCuO

CuO2

66

YBa2Cu3O7 TC=93

λab [Å] λc [Å] ξab [Å] ξc [Å]

1500 6000 15 4

Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x. Anisotropie

8.3Å

3.4Å

Bi2Sr2Ca2 Cu3O10 TC=110

λab [Å] λc [Å] ξab [Å] ξc [Å]

2000 10 000 13 2

Anisotrope Schichtstruktur.Die Cooper-Paare können nicht die Ladungsreservoirs durchtunneln.

Für Einkristalle YBa2Cu3O7 bei 4.2Kjc(ab)~107A/cm2, jc(c)~105A/cm2

Einh

eits

zelle

67

Ca

Ca

Ca

Ca

Ca

Ca

Bi2Sr2Ca2Cu3O10 2223TC=110K

Bi2Sr2CaCu2O8 2212 TC=95K

Bi2Sr2CuO6 2201TC=20K

Bi-Sr-Ca-Cu-O

68

Sauerstoffdotierung in Bi2Sr2CaCu2O8+δ (Bi2212)

T. Schweizer, Diss ETH, No10167 (1993)

69

HgBa2Can-1CunO2n+2 “Hg-12(n-1)n”

1 2 3 4 5 6 7

90

100

110

120

130

140

Tem

pera

tur [

K]

CuO2-Ebenen

TC für HgBa2Can-1CunO2n+2

Hg-12(n-1)n

CuO2-Ebenen

Der Weltrekord 133K !!!ETH Zürich - A.Schilling, M.Cantoni, J.D. Guo, H.R.Ott, Nature, 362(1993)226

70

Hochtemperatur-Supraleiter. BCS Theorie?

90 91 92 93

-0.2

-0.1

0.0 16O 18O

Mag

netis

ieru

ngTemperatur [K]

0 20 40 60 80 100 120-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

Isotopeneffekt ist sehr klein:YBa2Cu3O6.96 ΔTC≈0.2KTC~M-α → (αo ≈0.02).

Für die meisten LTSL α=0.5

Für HTSL TC ≈100K.In der BSC Theorie TC<30K

Existiert die HTSL ausschliesslich in Cupratverbindungen?

71

MgB2

Entdeckung Januar 2001TC≈39K –der höchste Wert für einen nicht oxidischen Supraleiter!

Mg

B - Schichten wie im Graphit

72

Sm TC=55K

April, 2008

73

USOUSO

Unidentified Superconducting Object

74

• Tc ↑ Kritische Temperatur über 77K

• Jc ↑ Hoche kritische Stromdichte

• Bc ↑ Hoche kritische Magnetfeldern

• $ ↓ Einfache Herstellung

• R ↓ Gute mechanische Eigenschaften

• ↓ Keine (kleine) Giftigkeit

Technische Anforderungen

75

Abhängigkeit des kritischen Stroms vom Missorientierungswinkel in Zwillingskristallen von Y123

Korngrenzen

C-axis twist boundary

tilt boundary„edge-on“ or „head-on“

Tilt boundary„railway-switch“

76

HTSL- Giftigkeit

10 100 10000

20

40

60

80

100

120

140

160

T C [K

]

LD50 [mg/kg]

HgBa2Ca2Cu3O8

HgBa2CuO4

Tl2Ba2Ca2Cu3O10

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

Pb0.5Cd0.5Sr2Y0.5Ca0.5Cu2O7

Pb2Sr2Y0.5Ca0.5Cu3O8

YBa2Cu3O7

La1.85Sr0.15CuO4As2O3 CdO

LD50- Giftdosis in mg per kg des Körpers, welche tödlich für 50% der Population ist. Ausgerechnet auf Grund der Daten für die Metalloxyden.

P.P.Edwards et al., im „High-Tc Superconductivity 1996“, E.Kaldis et al.(eds.), Kluwer 1997

77

YBaCuO- Dünnfilm

Dünnfilme

78

Dickfilme

Zeit

Temperatur

(1)(2)

(3)

(4)

(1) Ausbrennung der verbliebenen organischen Bestandteile

(2) Peritektisches Aufschmelzen

(3) Abkühlen (5-10°C/h) wird die supraleitende Phase auskristallisiert

(4) Nachglühen in O2(Sauerstoffstöchiometrie wird eingestellt)

FoliengiessverfahrenSupraleiter-Folien (aus ethanolhaltigen Schlicker) werden auf einem Substrat (Ag oder MgO) schmelzprozessiert.

D. Buhl, Diss ETH No 11850 (1996)

Kritische Stromdichte nehmen für Bi-2212 Filme mit der Dicke ab. Der gesamte Strom der durch ein Film fiessen kann (per cm der Breite), nimmt aber zu

79

Drähte und Bänder. Die Herstellung

American Superconductor

ExtrusionAbfüllen in Silberröhrchen und Schweissen

Extrusion Walzen und Erhitzen bei800-900oC

c ab

80

Anwendungen. Drähte und Bänder

Querschnitte von HTSL Bänder

American Superconductor Corporation

HTSL Kabel

81

1990 1994 1996 19981992

60

Krit

isch

er S

trom

[kA

/cm

2 ]

40

20

0

80

Die Entwicklung der Kritischen Stromdichte.Messungen für Bi-2223 Bänder bei 77K.

J.Tallon, Physics World, March 2000

Drähte und Bänder. Kritische Stromdichte

82

SQUID Superconducting Quantum Interference Device.

Höchstempfindliche Sensoren für magnetische Felder.

Anwendungen. Medizin und Wissenschaft

Supraleitender Ring (∅ < 1 mm) mit zwei Josephsonkontakten.

Empfindlich für Felder, die ein Hundertmillionstel des Erdfeldes betragen.

83

SQUID sensitivity Single Flux QuantumΦ0=h/2e≅2.07·10-15Tm2

Magnetic field of heart: 10-10 TMagnetic field of brain: 10-13 TMagnetic field of earth: 30-60⋅10-6 T

0 1 2 3-1-2-3

I0

Φ/Φ0

84

Anwendungen. Medizin und Wissenschaft

MRI Magnetic Resonance Imaging

Die Atomkerne mit Spin≠0 (z.B. H in H2O) besitzen magnetische Momente. Die können in grossen Magnetfeldern beobachtet werden .

Ein MRI-Bild des menschliches Gelenk gemacht mit:

a. Cu-Spulle bei RTb. Ag-Spullec. Supraleiter bei

77K

85

Anwendungen. Elektronik

Mikrowellenfilter aus YBa2Cu3O7. Mittenfrequenz 6.2 GHz, relative Bandbreite 8%).

Entwurf: Bosch GmbH Herstellung: Forschungszentrum Karlsruhe

Mikrowellenfilter

Mikrochips: SFQL (Single Flux Quantum Logic)

Supraleitender Ring mit einem Flussquantum repräsentiert den logischen Zustand 1, ohne 0. Eine Änderung des Zustands gibt ein Spannung Signal (im mV Bereich, 10-12 s)

Sehr hohe Schaltungsfrequenz ist möglich.

Vom: C.Gough, Phys.Educ. 33(1998)38

86

Anwendungen. Industrie

MagLev – Züge (magnetic levitation)

SMES: Superconducting Magnetic Energy

StorageEs speichert elektrische Energie im Magnetfeld, das von einer supraleitenden Spule produziert wird.

Magnetische Lager

Ein Rotor (a flywheel) in der Vakuumkammer als Energiespeicher, gelagert mit einem magnetischen (HTSL) Lager.

87

LN2

88

Resistiver Strombegrenzer

Beim Kurzschluss erfolgt ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand.

Der Strom fliesst durch den Supraleiter. Die volle „Schaltenergie“ wird im Supraleiter in die Wärme umgesetzt.

89

Induktiver Strombegrenzer

Der Eisenkern wird durch einen Supraleiter vom Magnetfeld abgeschirmt. Die Selbstinduktion in der Primärwicklung ist deshalb sehr klein (die Impedanz des Begrenzers ist Null).

Beim Kurzschluss, wird das Magnetfeld grösser als BC (kritisches Feld) des Supraleiters. Der Eisenkern wird magnetisiert das wieder entgegengesetzter Strom in der Primärwicklung induziert (die Impedanz steigt 100 000fach).Die Energie wird vom Eisen absorbiert und als Wärme abgegeben.

90

Induktiver Strombegrenzer II

Fault currentLimited currentNormal current

ABB hat zwei Anlagen im Langzeittest:

• Strombegrenzen im Kraftwerk Löntsch GL (seit 1996)

•Transformator in Genf