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Supraleitung

Freising, 25. Juni 2005. Supraleitung. Rudi Hackl, Walther-Meissner-Institut Bayerische Akademie der Wissenschaften. Entdeckung und erste Experimente London-Theorie Inhomogene Supraleitung (Ginzburg-Landau) Kohärente Zustände und BCS-Theorie Josephson-Effekte Moderne Entwicklungen.

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Presentation Transcript

  1. Freising, 25. Juni 2005 Supraleitung Rudi Hackl, Walther-Meissner-Institut Bayerische Akademie der Wissenschaften Entdeckung und erste Experimente London-Theorie Inhomogene Supraleitung (Ginzburg-Landau) Kohärente Zustände und BCS-Theorie Josephson-Effekte Moderne Entwicklungen http://www.wmi.badw.de/FG538

  2. Kamerlingh Onnes Entdeckung und Schlüsselexperimente 1. R = 0 Heike Kamerlingh Onnes 1911 Leiden Comm. 120b, 122b, 124c

  3. B Bc Tc T Schlüsselexperimente 2. Kritisches Feld normalleitend supraleitend

  4. B Bc Bc(T) Tc T Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 3. Supraleitung ist eine thermodynamische Phase field cooled (f.c.) zero field cooled (z.f.c.) W. Meißner und R. Ochsenfeld, Naturwissenschaften 21, 787 (1933)

  5. Idealer Leiter

  6. Supraleiter

  7. R = 0 und Bin = 0 wegunabhängig (idealer Diamagnet) Walther Meissner

  8. B.S. Deaver and W.M. Fairbank, PRL 7, 43 (1961) R. Doll and M. Näbauer, PRL 7, 51 (1961) Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 4. Flussquantisierung

  9. Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 5. Kohärenter makroskopischer Quantenzustand (Josephson-Effekt)

  10. AmplitudePhase Wahrscheinlichkeitsdichte Ladungsdichte Schrödinger-Gleichung im Magnetfeld London-Theorie Quantenmechanische Beschreibung des Stromes H. und F. London 1938

  11. 2. London-Gleichung using London-Theorie II Imaginärteil Kontinuitätsgleichung für Wahrscheinlichkeitsdichten

  12. Magnetfeldverdrängung Ampèresches Gesetz

  13. S S Flussquant Flussquantisierung B0

  14. Elektronenpaare

  15. GL-Differenzialgleichungen für y und JSQ Ginzburg-Landau-Theorie Dichte der Freien Energie als Funktion eines "Ordnungsparameters" |y|2 minimal

  16. F T > Tc T sinkt n/2 Gültigkeitsbereich der GL-Theorie T = Tc P T < Tc |y|2 ungeordnet geordnet Tc T Ginzburg-Landau-Theorie

  17. GL-Theorie: Konsequenzen 1. Längenskalen: Magnetfeldeindringtiefelund GL-Kohärenzlängex Eindringtiefe aus DGL fürJ Kohärenzlänge aus DGL für y

  18. SL NL ² Ba B(x) (x)² x GL GL 0 GL-Theorie: Konsequenzen Energieerhöhung (y unterdrückt) Energieerniedrigung (keine Feldverdrängung)

  19. GL-Theorie: Konsequenzen 2. Mischzustand Flussschläuche Flussfäden Flussquanten Regelmäßiges Gitter von "Flussquanten" mit

  20. H(r) y0 y(r) 0 xl r Flussliniengitter (Abrikosov 1958)

  21. Lev Landau Vitaly Ginzburg Alexei Abrikosov Nobelpreis 1962 Nobelpreis 2003 Nobelpreis 2003

  22. Ausscheidung mit kleinem  (bzw. NL)  Kondensationsenergie geht verloren Flusslinienverankerung (Pinning) Ausscheidung: Wirbelkern kostet keine Kondensationsenergie

  23. Schwebender Magnet

  24. Kohärente Zustände (Schrödinger 1926)

  25. Dn <n> Poisson Verteilung

  26. Phase und Teilchenzahl Polardarstellung von a feste Phasej konjugierte Variable p und x Orts-/ Impulsunschärfe

  27. Zwischenbilanz • Offensichtlich kommt man mit der Kohärenz sehr weit! • Wo sind kohärente Zustände realisiert?Wellenfeld im LaserBose-Einstein-Kondensate3He und 4He Vortrag EinzelSupraleiter aller Art • Welche mikroskopischen Ursachen liegen zugrunde?Fakten: kohärente Wellenfunktion, Elektronenpaare, Energiegewinn

  28. BCS-Theorie • Isotopeneffekt für Sn: • allgemein: Phononen sind wichtig

  29. e- Ursprung der Elektron-Elektron-WW Kopplung ist dynamisch! BCS-Näherung

  30. T = 0 EF EF + wD Cooper-Paare

  31. Cooper-Paare Energieabsenkung Kopplungskonstante

  32. BCS-Wellenfunktion

  33. Paardispersion und Energielücke

  34. E 0 k kF Dispersion Quasiteichen bei T > 0 Ek ek

  35. BCS John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer

  36. Energielücke bei T = 0

  37. I • SIS-Tunneldiode: SL SL NL Isolator T=0 eU 2(T) 20 Tunnelspektroskopie SL SL Isolator, z. B. Oxid =Potenzialbarriere T wächst

  38. Energielücke bei T > 0

  39. Brian D. Josephson Nobelpreis 1973 Josephson-Effekte 1. Josephson-Gleichung 2. Josephson-Gleichung

  40. t Iges In I0 Is Josephson-Gleich- und Wechselstrom

  41. Moderne Entwicklungen

  42. Kuprate – "Hochtemperatursupraleiter" YBa2Cu3O7 Tc = 93 K

  43. Anwendungen - Metrologie

  44. Anwendungen - Fehlerstromschalter

  45. Anwendungen - Filter http://www.suptech.com/pdf/superfilter2.pdf incl. Kryo-Kühler

  46. Josephson-Computer http://pavel.physics.sunysb.edu/RSFQ/

  47. Zusammenfassung Zentrale Bedeutung kohärenter Zustände Phänomenologische London- undGinzburg-Landau-TheorienJosephson-Effekte Mikroskopische Erklärung der Elektronenpaarung, der Kohärenz und der Energieabsenkungin der BCS-Theorie

  48. Realisierte Anwendungen Magnete (Forschung und Medizin) Energieübertragung (Laborbetrieb) Levitation Strombegrenzer Abschirmung elektromagnetischer Felder SQUID (Superconducting QUantum Interference Device) Filter und Mischer (Mobilfunk und Militär) Superschnelle Rechner (RSFQ) Quanten-Computer (Forschungsphase)

  49. Wichtige Persönlichkeiten Kamerlingh Onnes van der Waals J. Franck M. Born W. Meißner

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