Magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik

1. Magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik Kriza György, MTA SZFKI kriza@szfki.hu BME, 2010

2. The Woodstock of Physics 1986: Alex Bednorz és Georg Müller felfedezi a Cu-O alapú „magashőmérsékletű” szupravezetőket 1987. március 19., New York: Konferencia a magashőmérsékletű szupravezetőkről. , 1987. március 20., péntek: "DISCOVERIES BRING A 'WOODSTOCK‘FOR PHYSICS” "...the most extraordinary scientific meeting in memory” ''It's a phenomenon - there's never been anything like it in the history of physics''

3. Ge Nb Tc-történet Az alkalmazások fontos korlátja az alacsony kritikus hőmérséklet Magashőmérsékletű szupravezetők Az alkalmazások szempontjából legfontosabb „A15” szerkezetű szupravezetők

4. YBa2Cu3O7-d Cu dx2-y2 O px Mi az, amit tudunk a magashőmérsékletűszupravezetőkről? • CuO2 síkokban történik a szupravezetés • erősen anizotróp, réteges szerkezet • 2d fizika (pl. erős termikus fluktuációk)

5. Magashőmérsékleti szupravezetők univerzális fázisdiagramja • Lásd pl. a La2-xSrxCuO4 sorozatot: • Kiinduló anyag: La2CuO4 • La3+, O2- : 2·3-4·2= –2  Cu2+ (3d9) • félig betöltött 3d9 sáv • antiferromágneses szigetelő ALa3+, ionok egy részének Sr2+-ra cserélésével változtatható a sávbetöltése.

6.  • Következmények: • makroszkopikus skálán fáziskoherencia van az elektronok közöttU(1) mértékinvariancia-sértés •  Cooper-párok • „nemdiagonális hosszú távú rend a kételektron sűrűségmátrixban” Mit tudunk még? – Szimmetriasértés Fluxuskvantálás:

7. ky kx A rendparaméter szimmetriája térbeli forgatásokra Spin-szinglett Cooper-párok l = 2 impulzusmomentummal „d-hullám szimmetriájú rendparaméter” Pontosabban: a rendparaméter a CuO2 négyzetrács B1girrepjéhez tartozik, azaz 90°-os forgatásra előjelet vált. Állapotsűrűség Energia • tetszőlegesen kis energiával gerjeszthetők kvázirészecskék

8. A legfontosabb dolog, amit nem tudunk A szupravezetés mikroszkopikus elmélete: milyen kölcsönhatás hozza létre a Cooper-párokat? Létezik-e egyáltalán a konvencionális szupravezetőket sikeresen leíró Bardeen-Cooper-Schrieffer-elmélethez hasonló univerzális kulcs a MHSZ-k titkaihoz??? Nature Physics, 2006. március, MHSZ tematikus szám Vezetők kutatók a MHSZ-k mikroszkopikus elméletéről: Anthony Leggett Jan Zaanen Maurice Rice Sudip Chakravarty Senthil Todadri Philip Anderson Patrick Lee Jörg Schmalian Masatoshi Imada David Pines Mohit Randeria Chandra Varma Matthias Vojta

9. Szerves szupravezetők Lapos szerves molekulák + töltésátadás Erősen anizotróp, tipikusan 1d szerkezet Kis elektronsűrűség  erős elektronkorrelációk Kémiai összetétel változtatásával és hidrosztatikus nyomással jól hangolhatóka tulajdonságaik. Az első szerves szupravezető: (TMTSF)2PF6 Klaus Bechgaard, Denis Jérome, 1980 Tc = 1,2 K (p = 6 kbar)

10. A szerves szupravezetők (TM)2Xcsaládjának fázisdiagramja

11. Alkáli-fullerid szupravezetők A3C60 szerkezet A = K, Rb

12. Vaskorszak: pniktid szupravezetők LaO1-xFxFeAs La O F Fe As Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05−0.12) with Tc = 26 K Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).

13. A CeFeAsO1-xFx pniktid szupravezetőfázisdiagramja

14. A szupravezetők műszaki alkalmazásai • Milyen tulajdonságát hasznosítjuk? • Nulla elektromos ellenállás • Kvantuminterferencia • Legfontosabb jelenlegi • alkalmazási területek: • Orvosi diagnosztika • Vegyipar/gyógyszeripar • Elektronika • Projektált alkalmazások: • Villamosenergia-ipar • Közlekedés • Elsősorban a fejlesztés alatt álló magashőmérsékletű • szupravezető technológián alapul. Elektromos berendezés Elektronika Mágnes Forrás: BCC Research http://www.bccresearch.com/report/AVM066A.html

15. Orvosi diagnosztika Alapelve: mágneses magrezonancia képalkotás, MRI (magnetic resonance imaging) Protonspin rezonancia nagy mágneses térben, háromdimenziós térbeli felbontással Nagy mágneses tér + nagy átmérő → rezisztív mágnes nem praktikus • Előnyei: • Kiváló kontraszt lágy szövetekben • Csontok árnyékoló hatása nem zavaró • Tipikusan 50 MHz, egészségká- rosító hatása minimális • Hátránya: • Hosszú ideig tart egy felvétel, drága fMRI

16. Vegyipar, gyógyszeripar: NMR(mágneses magrezonancia) • Szerves molekulák szerkezetének • meghatározása. • A mágneses térrel nő az érzékeny-ség és a felbontás. • Előnyei: • Szerkezetmeghatározás oldatban (nem kell kristályosítani) • Gyors, automatizálható (jól megfelel a kombinatorikus kémia igényeinek) • Alapkutatási alkalmazások széles • köre. Az Oxford Instruments (Oxford, UK) 21,2 teslás NMR mágnese (Yokohama City University)

17. Ge Nb A kereskedelmi forgalomban kapható technika Jelenlegi legmagasabb tér: 23,6 T, 1f0 = 1000 MHz Nb3Ge „A15” szupravezető (felfedezés éve: 1973)

18. Versenytárs: rezisztív technikák Rekord: 25 T (1066 MHz), National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL), Tallahassee, Florida, USA • igen költséges üzemeltetés (35 MW fogyasztás + vízhűtés), ezért gyakorlatilagcsak kutatásra használják • az áram és a vízhűtés ingadozása miatt viszonylag rossz a térstabilitás (kb. 3 ppm fluxus stabilizátor betéttel), ezért nagyfelbontású NMR-re nem előnyös Hibrid technika: szupravezető szolenoid belsejében rezisztív betét NHMFL 45 T hibrid mágnes: 11 T szupravezető szolenoidban 34 T rezisztív mágnes (nem kimondottan NMR céljaira)

19. Villamosenergiaipar Kis veszteség: távvezetékek, transzformátorok, generátorok. A fejlesztés stádiumában, prototípusok. Fő nehézség: hajlékony kábel Készítése a törékeny magashőmér- sékletű szupravezető anyagokból. Létező alkalmazás: túláramvédelem(nagyáramú biztosíték). A kritikus áram alatt szupravezető felette normális fém. 600 kVA-es magashőmérsékletű szupravezető transzformátor prototípusa. China Institute for Electical Engineering, 2005

20. MHSZ szupravezető erősáramú távvezeték 138 kV, 574 MW 2008. április 30., Long Island, USA

21. MHSZ szupravezető erősáramú távvezeték kábel prototípusa elektromos szigetelés folyékony nitrogén hűtés (hűtőállomás néhány kilométerenként) vörösréz mag Ø 133 mm ezüstözött rézmátrix szupravezető szalag BSCCO kerámia ezüst mátrixban hőszigetelés: vákuum +„űrhajós ruha” Bi2Sr2CaCu2O8kerámia szupra-vezető Ic = 200 A Jc = 50 kA/cm2 szupravezető árnyékolás Japán Gazdasági és Ipari Minisztérium, 2004. Becslés: I = 5 kA, V = 50 kVrms  P = 250 MW (felső becslés)

22. Mikrohullámú elektronika Kis felületi ellenállás → jó minőségű mikrohullámú szűrők • Előnyei: • A telekommunikációs frekvenciasávban Q > 100 000 könnyen elérhető • kis veszteség • kis méret • Hátrány: • Hűtést igényel, ezért • mobil eszközökben • egyelőre nem használják. • Megoldás: Peltier-hűtés. Az orvosi diagnosztika után jelenleg a második legnagyobb alkalmazás. A magashőmérsékletű szupravezetők legfontosabb alkalmazása.

23. Mikrohullámú elektronika • Előnyei: • A telekommunikációs frekvenciasávban Q > 100 000 könnyen elérhető • kis veszteség • kis méret • Hátrány: • Hűtést igényel, ezért • mobil eszközökben • egyelőre nem használják. • Megoldás: Peltier-hűtés? Az orvosi diagnosztika után jelenleg a második legnagyobb alkalmazás. A magashőmérsékletű szupravezetők legfontosabb alkalmazása.

24. Kvantuminterferencia: SQUID(Superconducting Quantum Interference Device) Brian D. Josephson, 1962 Legyengített szupravezető: Josephson-átmenet Az eszköz két karjában folyó szupravezető áram interferál. Az interferenciakép függ a lyukon átmenő mágneses fluxustól. → A fluxuskvantum törtérsze is mérhető. Alkalmazás: magnetoenkefalográfia, magnetokardiográfia, geológia, alapkutatás. Potenciális alkalmazása: kis fogyasztású gyors digitális elektronika. 6000 Josephson- átmenetet tartalmazó chip. Hypres Co., USA

25. Mágneses levitáció (maglev) Shanghai, 2003 30 km, 430 km/h (8 perc) Gyártó: ThyssenKrupp Jó utazást kívánok! THE END