Wlth Miß ddiWalther Meißner und die Tieftemperaturforschung* · J. P. Joule Lord Kelvin L. P....

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W lth M iß d di W alther Mener und die Tieftemperaturforschung* Dietrich Einzel Übersicht Heike Kamerlingh-Onnes: Begründer der Tieftemperaturphysik Walther Meißner: Mentor der Tieftemperaturphysik in Deutschland Walther Meißner: Mentor der Tieftemperaturphysik in Deutschland Tieftemperaturphysik und Quantenmechanik Suprafluidität Suprafluidität Supraleitung 1 * Schülertag, TUM Garching, 5. 2. 2009

Transcript of Wlth Miß ddiWalther Meißner und die Tieftemperaturforschung* · J. P. Joule Lord Kelvin L. P....

W lth M iß d diWalther Meißner und die Tieftemperaturforschung*

Dietrich Einzel

Übersicht

Heike Kamerlingh-Onnes: Begründer der Tieftemperaturphysik

Walther Meißner: Mentor der Tieftemperaturphysik in DeutschlandWalther Meißner: Mentor der Tieftemperaturphysik in Deutschland

Tieftemperaturphysik und Quantenmechanik

SuprafluiditätSuprafluidität

Supraleitung

1* Schülertag, TUM Garching, 5. 2. 2009

Das Walther-Meißner-Institut

1a

Heike Kamerlingh Onnes (HKO)

1853 HKO wird in Groningen geboren (21 9 )1853 HKO wird in Groningen geboren (21. 9.)

1871 - 73 HKO ist Student von Bunsen und Kirchhoffin Heidelberg. „Seminarpreis“ ermöglicht g „ p gAssistentenstelle bei Kirchhoff.

1879 HKO erhält den Doktor-Titel von der Universität Groningen

1882 HKO wird Professor und Direktor des Labors in Leiden Einführ ngs orles ng van der Labors in Leiden. Einführungsvorlesung „Door meten tot weten“. Intensiver Gedankenaustausch mit Diderik van der Onnes

Waals

Waals.

1884 HKO wird Mitglied der „Königlichen Akademie der Wissenschaften“ in AmsterdamWissenschaften in Amsterdam

2

Heike Kamerlingh Onnes (HKO)

1905 Durchbruch in Leiden: HKO erhält beachtliche Mengen von Monazit- (Seltene-Erd-Phosphate) Sand ausUS-amerikanischen Kiesgruben

1908 10 Juli: HKO verflüssigt erstmals erfolgreich Helium1908 10. Juli: HKO verflüssigt erstmals erfolgreich Helium nach sorgfältigen theoretischen Abschätzungen. Temperaturen bis zu 1 K werden erreicht!

Beginn der Tieftemperaturphysik!

1911 HKO entdeckt den verschwindenden elektrischen Widerstand in Quecksilber bei 4.2 K (später Supraleitung genannt!)( p p g g )

1913 HKO erhält den Physik-Nobelpreis („Für die Untersuchung

der Eigenschaften von Materie bei tiefen Temperaturen“)der Eigenschaften von Materie bei tiefen Temperaturen“)1926 HKO stirbt im Alter von 72 Jahren in Leiden (21. 2.)

3

Der verschwindende elektrische Widerstandvon Quecksilberunterhalb von Tc=4.2 K

3a

Walther Meißner (WM)

1882 WM wird in Berlin geboren

1907 WM erhält den Doktor-Titel von der Universtät Berlin (bei Max Planck).

1908 WM tritt in die Physikalisch-TechnischeReichsanstalt (PTR) in Berlin-Carlottenburg ein.

1925 WM konstruiert den weltweit dritten Helium-Verflüssiger an der PTR in Berlin W. Meißner

1928 - 34 Entdeckung der Supraleitung in den Elementen Ta, V, Ti und Nb

1933 Entdeckung der Magnetfeldverdrängungin Supraleitern mit R. Ochsenfeldan der PTR in Berlin.

1934 WM übernimmt Lehrstuhl an der TH München. 4

R. Ochsenfeld

Die Titelseite der Di t tiDissertation von

Walther Meissner

4a

Levitation

4b

Walther Meißner (WM)

1946 50 WM ird Direktor der Ba erischen Akademie der Wiss (BAdW)1946 – 50 WM wird Direktor der Bayerischen Akademie der Wiss. (BAdW)

1946 Gründung der Kommission für Tieftemperaturforschung der BAdW durch WM und K. Clusius.

1952 Emeritierung von WM.

1954 WM erhält das Bundesverdienstkreuz

1961 Entdeckung der Flussquantisierung durchR. Doll und M. Näbauer. Klärt die Frage 2e or not 2e?“Frage „2e or not 2e?Unabhängige Entdeckung des Effektsdurch B. S. Deaver and W. M. Fairbank

1974 WM stirbt mit 91 Jahren in München R. Doll (86 Jahre)5

Ausschnitt aus der Originalveröffentlichung

von Robert Doll und Martin Näbauer aus

dem Jahre 1961dem Jahre 1961

5a

Tieftemperaturphysik und Quantenmechanik

Historische Aspekte zur Quantentheorie

1900 Plancksche Strahlungsformel Lichtquantenhypothese:

Historische Aspekte zur Quantentheorie

1900 Plancksche Strahlungsformel, Lichtquantenhypothese: Photonen mit E=hν, Wirkungsquantum h, Frequenz ν[Max Planck, Nobelpreis 1918]

1905 Erklärung des Photoeffekts durch Lichtquanten-hypothese, E=hν, [Albert Einstein, Nobelpreis 1921]

1926 Elektronenbeugung am KristallgitterElektronen zeigen Welleneigenschafteng g[Clinton Davisson, Nobelpreis 1937, und Lester Germer]

1926 Wellennatur des Elektrons, Welle-Teilchen-Dualismus,1926 Wellennatur des Elektrons, Welle Teilchen Dualismus, [Louis DeBroglie, Nobelpreis 1929]

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Zum Welle-Teilchen-Dualismus

Licht als Teilchen... ?als Teilchen...

„...it travels like a wave

oder?like a wave, but departs and arrives as a particle...“ R. Baierlein

Elektronen als Welle

p(Newton to Einstein)

als Welle...

„If that turns t t b tout to be true,

I‘ll quit physics.“ Max von Laue7

Zum Welle-Teilchen-Dualismus

Elektronen

?als Welle...

„Die Kühnheit dieser

oder?„Die Kühnheit dieser Idee war so groß –ich muss aufrichtig sagen daß ich selbersagen, daß ich selber auch damals den Kopf schüttelte dazu, und ich

i i h h terinnere mich sehr gut, daß Herr Lorentz mir damals sagte im vertraulichen Privatgespräch: „Diese jungen Leute nehmen es doch gar zu leicht, alte physikalische Begriffe beiseite zu setzen!“ Es war damals die Rede von DeBroglie-Wellen, von der Heisenbergschen Unschärfe-Relation - und das schien uns Älteren etwas schwer Verständliches.“

Max Planck8

Zum Welle-Teilchen-Dualismus

?Licht als Teilchen...

oder?Fünfzig JahreFünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage „Was sind Lichtquanten?“ nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich!

Albert Einstein, 19549

Zum Welle-Teilchen-Dualismus

Verknüpfung von Energie Eund Frequenz ν und Frequenz ν [Planck, 1900; Einstein, 1905]

Verknüpfung von Impuls p und Wellenlänge λ[L i d B li 1924][Louis de Broglie, 1924]

Thermische de Broglie-Wellenlänge (E=πkBT)

Grenzfall klassische Physiky(m sehr groß oder h=0):

10

Bosonen und Fermionen, Entartung

N Teilchen der Dichte n=N/V: 4He: n = 4.1021 cm-3

14a

T[K]0

λΤ kl

KlassischerLimes λT < a

Quanten-mechanisch

λT > a

2a T*q.m. klass.T

T > T*

Teilchen

T T < T*

Entartung

asind

unter-scheid-

Teilchen sind

ununter-

0 10 000 T[K]0

scheidbarscheidbar

0 10 000 T[K]e- : n = 3.6.1021 cm-3Ein Teilchen in Kubus mit a = 1/n1/3

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Bosonen bei tiefen Temperaturen (T*=TB)

T>TB 0<T<TB T=0T TB 0 B 0

Eigendrehimpuls „Bose-Einstein-(Spin): 0ħ, 1ħ, ...

„Kondensation“

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Fermionen bei tiefen Temperaturen (T*=TF)

Fermi-Energie EF=kBTFF B F

T > 0 T = 0

EigendrehimpulsEigendrehimpuls(Spin): ½ ħ, ... „Fermi-See“

εk

13

BCS- (Fermionen-) Paar-Kondensation

0<T<TC T=00 T TC T=0

Gesamtspin (Paar) Paar (Pseudoboson)-p ( )0ħ (Singulett), 1ħ (Triplett)

( )Kondensation (BCS)

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Supraleitung und Suprafluidität in der Nussschale

Schrödinger-Gleichung

Makroskopische Wellenfunktion

Superfluide Dichte ns

Erhaltungssatz für ns

Suprastromdichte js

J h Gl i h

;

Josephson-Gleichung

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(Euler-) Beschleunigungs-Gleichung

Zusammenfassung

Heike Kamerlingh Onnes: Begründer der TieftemperaturphysikHeike Kamerlingh Onnes: Begründer der Tieftemperaturphysik

Helium-Verflüssigung vor 100 JahrenBeginn der Tieftemperaturphysikg p p yEntdeckung der Supraleitung in Leiden

Walther Meißner: Mentor der Tieftemperaturforschung in Deutschland

Dritte Helium-Verflüssigungs-Anlage weltweit in BerlinMeißner-Ochsenfeld-Effekt (Magnetfeld-Verdrängung aus Supraleitern)Entdeck ng der Fl ss Q antisier ng an Walther Meißners Instit tEntdeckung der Fluss-Quantisierung an Walther Meißners Institut

Tieftemperaturphysik und Quantenmechanik

Welle-Teilchen-DualismusEntartung in Bose-Systemen: Bose-Einstein-Kondensation und SuprafluiditätEntartung in Fermi-Systemen: Fermi-See, Paarbildung führt zur Supraleitung

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Entartung in Fermi Systemen: Fermi See, Paarbildung führt zur Supraleitung

Vor 1908: Kühl-Attacke auf die „permanenten Gase“

1852 Entdeckung des Joule-Thomson-EffektsJames Prescott Joule [1818-1889]James Prescott Joule [1818-1889]Sir William Thomson [Lord Kelvin, 1824-1907]Kühlung komprimierter Gase durch Ausdehnung (T<Ti):Schlüsselkon ept a f dem Weg m absol ten N llp nkt!Schlüsselkonzept auf dem Weg zum absoluten Nullpunkt!

1877 Erste Verflüssigung „permanenter Gase“ in kleinen MengenSauerstoff: Louis Paul Cailletet [1832-1913]Sauerstoff: Louis Paul Cailletet [1832-1913]Sauerstoff, Stickstoff: Pierre Pictet [1846-1929]

J. P. Joule Lord Kelvin L. P. Cailletet P. PictetA1

Vor 1908: Kühl-Attacke auf die „permanenten Gase“

1883 Erste Verflüssigung von N2- and O2- Gasen in größeren Mengen: Zygmunt Florenty Wroblenski [1845-1888]Mengen: Zygmunt Florenty Wroblenski [1845-1888]Stanislav Olszewski [1846-1915]

1895 Erste Verflüssigung von Luft: Carl von Linde [1842-1934] 895 s e e üss gu g o u Ca o de [ 8 93 ]

1898 Erste Verflüssigung von Wasserstoff-Gas mit der ersten „Thermoskanne“ („Dewar-Kanne“) und einer Kaskadenmethode: James Dewar [1842-1923]

Z. Wroblenski S. Olszewski C. v. Linde J. DewarA2

Tieftemperatur-Laboratorien in der ganzen Welt

1908 Leiden Heike Kamerlingh Onnes 1923 Toronto Sir John Cunningham McLennan Jack Allen1923 Toronto Sir John Cunningham McLennan, Jack Allen 1925 Berlin Walther Meißner 1928 Kharkov Lev Shubnikov1930 Cambridge Peter L Kapitza1930 Cambridge Peter L. Kapitza 1933 Oxford Kurt Mendelssohn, Franz Simon, Nicholas Kürti1934 Moscow Peter L. Kapitza 1950 Tifli El t L A d ik h ili1950 Tiflis Elevter L. Andronikashvili 1957 Manchester U. Eric Mendoza, Henry Hall, Joe Vinen et al. 1959 Cornell U. John Reppy, Robert Richardson et al.1962 Grenoble Louis Neel, Louis Weil1965 Otaniemi Olli Lounasmaa1967 Garching F. X. Eder, W. Wiedemann, G. Eska et al.g , ,

Weitere Tieftemperatur-Laboratorien: Bayreuth , Berkeley, Berlin, Brown Univ., Eindhoven, U. Florida, Harvard, Illinois, y yKarlsruhe, Konstanz, Lancaster , Madrid, MIT, Northwestern U., Ohio State, Pohang, Prag, Royal Holloway, Stanford, Tata, Tokyo, Twente, Yale, …

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Supraleitung: damals und heute

1911 (1913) Entdeckung der Supraleitung von Hg in Leiden [HKO]( ) g g g

1933 Feldverdrängungs-Effekt [Meißner, Ochsenfeld] (75 Jahre!)

1935 Erste phänomenologische Theorie [F and H London]1935 Erste phänomenologische Theorie [F. and H. London]

1950 (2003) Zweite phänomenologische Theorie [Ginzburg & Landau]

1957 (1972) BCS Theorie [Bardeen, Cooper & Schrieffer]

1957 (2003) Vorhersage des Flussliniengitters [Abrikosov]( ) g g [ ]

1961 Fluxoid-Quantisierung [Doll, Näbauer/Deaver, Fairbank]

1962 (1973) J h (C P ) T l [J h ]1962 (1973) Josephson-(Cooper-Paar-) Tunneln [Josephson]

1968 Entdeckung des Flussliniengitters [Essmann, Träuble]

1986 (1987) Hoch-Tc Supraleitung in Kupraten [Bednorz, Müller] A4

Die Bose-Supraflüssigkeit 4He

1910 HKO entdeckt Dichte-Maximum in flüssigem 4He bei 2.2 K.g

1923 λ- förmige Anomalie der spezifischen Wärme von 4He bei Tλ=2.2 K wird entdeckt durch HKO und Dana in Leiden

1924 Vorhersage der BEC durch S. Bose & A. Einstein

1927 Die Begriffe He-I (T>Tλ) and He-II (T<Tλ) werden durch K d W lfk i L id t bli tKeesom und Wolfke in Leiden etabliert.

1930 Keesom und van der Ende entdecken die Strömung vonHe-II durch ultraschmale Spalte (Superlecks) in LeidenHe II durch ultraschmale Spalte (Superlecks) in Leiden

1935 Wilhelm, Misener and Clark messen Viskositäts-Abfall unterhalb Tλ von He-II in Toronto.

1937 Verschwindende Scherviskosität in He-II in Kapillarströmungs-Experiment entdeckt durch Allen and Misener in Cambridge und Kapitza in Moskau Publikation in Nature 141und Kapitza in Moskau. Publikation in Nature 141.

1978 Physik Nobelpreis für Kapitza.A5