Supraleiter- von der Wissenschaft zur Technologie

1. Supraleiter-von der Wissenschaft zur Technologie Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching

2. 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

3. Supraleiter Magnete Was sind Supraleiter? • Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand • Bewegung der Elektronen ohne Reibung • Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch

4. Hg Mit Kamerlingh Onnes fing alles an • 1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C) • 1911 Entdeckung der Supraleitung • 1913 Nobelpreis

5. flüss. Stickstoff "klassische" SL Entwicklung der Sprungtemperatur "Hochtemperatur"- Supraleiter

6. QM SL Wie funktioniert Supraleitung? • die klassische Physik versagt! • Erklärung nur durch Quantenmechanik • Supraleitung ist die Spielwiese der QM

7. Kreis? Zylinder! Quadrat? Schnellkurs in Quantenmechanik • Huygens 1691: Licht-Wellen • Newton 1704: Licht-Teilchen • Planck 1900: Licht-Quanten E = hν • Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen ! dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten

8. Beugung am Regenschirm

9. Quelle Doppelspalt Schirm wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen Beugungs-Experimente mit Quanten

10. Elektronen im Supraleiter • Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren "Cooperpaare" • alle Paare zusammen bilden klassische Welle: " Makroskopischer Quantenzustand "

11. n=3 usw... • Wellenlänge muss auf den Umfang passen: Wellen auf dem Ring n=1 n=2 • d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ0

12. Magnetfluss im Ring äußeres Magnetfeld Flussquantisierung: Experiment Doll und Näbauer München 1961 erster Beweis für Paare!

13. Strom B Strom Engstellen Magnetfeld B (10-5T) Josephson-Effekt • 2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren • Superconducting QUantum Interference Device, SQUID • empfindlichstes Messinstrument überhaupt

14. Die Paar-Anziehungskraft • "gleichnamige Ladungen stoßen sich ab" - gilt nicht im Festkörper! "Matratzenbild": • klassische SL: Gitterdeformation • HTSL: magnetische Wechselwirkung

15. J. Bardeen L. N. Cooper R. Schrieffer BCS-Theorie • Paare sind miteinander "verzahnt"  wegen Pauliprinzip • Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt" • Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom ! Demonstration dazu

16. bei Anwendungen wird es kritisch • SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen ! • Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt

17. B=0 Ursache: der Meissner-Effekt • Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe verdrängt Walther Meissner • sonst kein SL Zustand möglich • Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld immer mehr • irgendwann geht dem SL "die Luft aus": kritische Feldstärke

18. Die Supraleiter zweiter Art • das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt • SL bildet Flussquanten • weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie • Kritische Feldstärke erhöht sich stark

19. Bc in Tesla T in Kelvin Kritische Felder von SL 2. Art

20. der erste technische Durchbruch • "Stabilisierung" bringt technische Reife • NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen Vieldraht-Leiter 14 000 Einzeldrähte NbTi in CuNi-Hülle 20x

21. Beschleuniger-Magnete Hera-Tunnel, DESY, Hamburg 4,7 Tesla 6,3km LHC-Projekt, Genf 1200 Dipolmagnete 8,6T je 15m, 24t (bis 2005)

22. CERN 8,6km

23. IGC Magnetresonanz-Tomographie • MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten

24. NMR-Spektrum NMR-Spektroskopie Kernspin-Resonanz bei 900 MHz/21Tesla für chemische Analyse mit Nb3Sn-Spule für höchste Magnetfelder

25. "Hochtemperatur"-Supraleiter • 1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4 A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987 W. Bednorz A. Müller Nobelpreis Ende 1987 • 1987 Supraleiter mit Tc > 90 K

26. CuO2-Ebenen tragen die SL YBCO Die wichtigsten HTSL • YBa2Cu3O7 (YBCO oder Y-123) 93 K • Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K • Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K • HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K

27. Erweiterte Grenzen

28. REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM Herstellung von BSCCO-Leitern Pulver-Herstellung Bolzen versiegeln Draht ziehen Teil 1: Rohling herstellen neu bündeln neu ziehen flach walzen Wärmebehandlung Teil 2: Metallurgie

29. Leiter-Vergleich mit Kupfer Kabel aus 170 Leitern REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM BSCCO-Leiter

30. 3-adriges SL Kabel 360 m lang Umspannwerk Detroit-Frisbee Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht (Pirelli + American Superconductor)

31. MRT-Spule aus BSCCO-Draht offenes System für seitlichen Zugang (Operationen) (Siemens +Oxford Instruments)

32. "Garching-Verfahren" Heizer O 700°C 2 Sauerstoff rotierendes Substrat Vakuum Barium Yttrium Kupfer zur Verdampfer Vakuumpumpe 230 mm YBCO Dünnschichten • kostengünstig durch Vielfach-Prozess • hohe Qualität und Reproduzierbarkeit

33. Filter höchster Trennschärfe Satelliten-Transponder Filter aus YBCO-Dünnschichten • Mobilfunk - Stationen • Satelliten - Kommunikation (Bosch/Astrium+THEVA)

34. (Siemens +THEVA +TU München) Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten schnelle Absicherung in der Energietechnik erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen

35. Strom (A) Spannung (V) Zeit (ms) Wirkungsweise von Strombegrenzern

36. THErmal EVAporation = THEVA GmbH gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter • Produkte • YBCO Filme • Beschichtungsanlagen • Jc-Scanner • F&E: • Bandbeschichtung • Energietechnik-Anwendungen • Mikrowellen www.theva.com

37. Magnesium-Diborid Tc=39K Magnesium Bor Neuere Entwicklung: MgB2 • einfache Verbindung • Standard-Chemikalie "Matratze"

38. Schlussbemerkung • Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik • "klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt • "Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich • Die SL sind immer gut für Überraschungen