Freising 25 Juni 2005 Supraleitung Rudi Hackl WaltherMeissnerInstitut

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Freising, 25. Juni 2005 Supraleitung Rudi Hackl, Walther-Meissner-Institut Bayerische Akademie der Wissenschaften • Entdeckung

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/FG 538 25. Juni 2005, 1

Entdeckung und Schlüsselexperimente 1. R = 0 Kamerlingh Onnes Heike Kamerlingh Onnes 1911 Leiden

Entdeckung und Schlüsselexperimente 1. R = 0 Kamerlingh Onnes Heike Kamerlingh Onnes 1911 Leiden Comm. 120 b, 122 b, 124 c 25. Juni 2005, 2

Schlüsselexperimente 2. Kritisches Feld B normalleitend Bc supraleitend Tc T 25. Juni 2005, 3

Schlüsselexperimente 2. Kritisches Feld B normalleitend Bc supraleitend Tc T 25. Juni 2005, 3

Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 3. Supraleitung ist eine thermodynamische Phase B Bc Bc(T) field cooled (f.

Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 3. Supraleitung ist eine thermodynamische Phase B Bc Bc(T) field cooled (f. c. ) zero field cooled (z. f. c. ) Tc T W. Meißner und R. Ochsenfeld, Naturwissenschaften 21, 787 (1933) 25. Juni 2005, 4

Idealer Leiter 25. Juni 2005, 5

Idealer Leiter 25. Juni 2005, 5

Supraleiter 25. Juni 2005, 6

Supraleiter 25. Juni 2005, 6

Walther Meissner R = 0 und Bin = 0 wegunabhängig (idealer Diamagnet) 25. Juni

Walther Meissner R = 0 und Bin = 0 wegunabhängig (idealer Diamagnet) 25. Juni 2005, 7

Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 4. Flussquantisierung B. S. Deaver and W. M. Fairbank, PRL 7, 43

Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 4. Flussquantisierung B. S. Deaver and W. M. Fairbank, PRL 7, 43 (1961) R. Doll and M. Näbauer, PRL 7, 51 (1961) 25. Juni 2005, 8

Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 5. Kohärenter makroskopischer Quantenzustand (Josephson-Effekt) 25. Juni 2005, 9

Schlüsselexperimente (Fortsetzung) 5. Kohärenter makroskopischer Quantenzustand (Josephson-Effekt) 25. Juni 2005, 9

London-Theorie Quantenmechanische Beschreibung des Stromes H. und F. London 1938 Amplitude Phase Wahrscheinlichkeitsdichte Ladungsdichte

London-Theorie Quantenmechanische Beschreibung des Stromes H. und F. London 1938 Amplitude Phase Wahrscheinlichkeitsdichte Ladungsdichte Schrödinger-Gleichung im Magnetfeld 25. Juni 2005, 10

London-Theorie II Imaginärteil Kontinuitätsgleichung für Wahrscheinlichkeitsdichten 2. London-Gleichung using 25. Juni 2005, 11

London-Theorie II Imaginärteil Kontinuitätsgleichung für Wahrscheinlichkeitsdichten 2. London-Gleichung using 25. Juni 2005, 11

Magnetfeldverdrängung Ampèresches Gesetz 25. Juni 2005, 12

Magnetfeldverdrängung Ampèresches Gesetz 25. Juni 2005, 12

Flussquantisierung S S B 0 Flussquant 25. Juni 2005, 13

Flussquantisierung S S B 0 Flussquant 25. Juni 2005, 13

Elektronenpaare 25. Juni 2005, 14

Elektronenpaare 25. Juni 2005, 14

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

Ginzburg-Landau-Theorie Dichte der Freien Energie als Funktion eines "Ordnungsparameters" |y 2 minimal GL-Differenzialgleichungen für y und JSQ 25. Juni 2005, 15

Ginzburg-Landau-Theorie F Gültigkeitsbereich der GL-Theorie T sinkt n/2 T > Tc T = Tc

Ginzburg-Landau-Theorie F Gültigkeitsbereich der GL-Theorie T sinkt n/2 T > Tc T = Tc P|y|2 Tc T ungeordnet T < Tc geordnet 25. Juni 2005, 16

GL-Theorie: Konsequenzen 1. Längenskalen: Magnetfeldeindringtiefe und GL-Kohärenzlänge Eindringtiefe aus DGL für J Kohärenzlänge aus

GL-Theorie: Konsequenzen 1. Längenskalen: Magnetfeldeindringtiefe und GL-Kohärenzlänge Eindringtiefe aus DGL für J Kohärenzlänge aus DGL für y 25. Juni 2005, 17

GL-Theorie: Konsequenzen SL NL ² Ba B(x) ² x 0 GL Energieerniedrigung (keine Feldverdrängung)

GL-Theorie: Konsequenzen SL NL ² Ba B(x) ² x 0 GL Energieerniedrigung (keine Feldverdrängung) Energieerhöhung (y unterdrückt) 25. Juni 2005, 18

GL-Theorie: Konsequenzen 2. Mischzustand Flussschläuche Flussfäden Flussquanten Regelmäßiges Gitter von "Flussquanten" mit 25. Juni

GL-Theorie: Konsequenzen 2. Mischzustand Flussschläuche Flussfäden Flussquanten Regelmäßiges Gitter von "Flussquanten" mit 25. Juni 2005, 19

Flussliniengitter (Abrikosov 1958) H(r) y 0 y(r) 0 r 25. Juni 2005, 20

Flussliniengitter (Abrikosov 1958) H(r) y 0 y(r) 0 r 25. Juni 2005, 20

Lev Landau Nobelpreis 1962 Vitaly Ginzburg Alexei Abrikosov Nobelpreis 2003 25. Juni 2005, 21

Lev Landau Nobelpreis 1962 Vitaly Ginzburg Alexei Abrikosov Nobelpreis 2003 25. Juni 2005, 21

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

Flusslinienverankerung (Pinning) Ausscheidung mit kleinem (bzw. NL) Kondensationsenergie geht verloren Ausscheidung: Wirbelkern kostet keine Kondensationsenergie 25. Juni 2005, 22

Schwebender Magnet 25. Juni 2005, 23

Schwebender Magnet 25. Juni 2005, 23

Kohärente Zustände (Schrödinger 1926) 25. Juni 2005, 24

Kohärente Zustände (Schrödinger 1926) 25. Juni 2005, 24

Poisson Verteilung n <n> 25. Juni 2005, 25

Poisson Verteilung n <n> 25. Juni 2005, 25

Phase und Teilchenzahl Polardarstellung von a feste Phase j Orts-/ Impulsunschärfe konjugierte Variable p

Phase und Teilchenzahl Polardarstellung von a feste Phase j Orts-/ Impulsunschärfe konjugierte Variable p und x 25. Juni 2005, 26

Zwischenbilanz • Offensichtlich kommt man mit der Kohärenz sehr weit! • Wo sind kohärente

Zwischenbilanz • Offensichtlich kommt man mit der Kohärenz sehr weit! • Wo sind kohärente Zustände realisiert? Wellenfeld im Laser Bose-Einstein-Kondensate 3 He und 4 He Supraleiter aller Art Vortrag Einzel • Welche mikroskopischen Ursachen liegen zugrunde? Fakten: kohärente Wellenfunktion, Elektronenpaare, Energiegewinn 25. Juni 2005, 27

BCS-Theorie • Isotopeneffekt für Sn: • allgemein: Phononen sind wichtig 25. Juni 2005, 28

BCS-Theorie • Isotopeneffekt für Sn: • allgemein: Phononen sind wichtig 25. Juni 2005, 28

Ursprung der Elektron-WW e- Kopplung ist dynamisch! BCS-Näherung 25. Juni 2005, 29

Ursprung der Elektron-WW e- Kopplung ist dynamisch! BCS-Näherung 25. Juni 2005, 29

Cooper-Paare T=0 EF EF + w. D 25. Juni 2005, 30

Cooper-Paare T=0 EF EF + w. D 25. Juni 2005, 30

Cooper-Paare Energieabsenkung Kopplungskonstante 25. Juni 2005, 31

Cooper-Paare Energieabsenkung Kopplungskonstante 25. Juni 2005, 31

BCS-Wellenfunktion 25. Juni 2005, 32

BCS-Wellenfunktion 25. Juni 2005, 32

Paardispersion und Energielücke 25. Juni 2005, 33

Paardispersion und Energielücke 25. Juni 2005, 33

Dispersion E Quasiteichen bei T > 0 Ek 0 ek k k. F 25.

Dispersion E Quasiteichen bei T > 0 Ek 0 ek k k. F 25. Juni 2005, 34

BCS John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer 25. Juni 2005, 35

BCS John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer 25. Juni 2005, 35

Energielücke bei T = 0 25. Juni 2005, 36

Energielücke bei T = 0 25. Juni 2005, 36

Tunnelspektroskopie • SIS-Tunneldiode: SL SL Isolator, z. B. Oxid =Potenzialbarriere SL I NL T

Tunnelspektroskopie • SIS-Tunneldiode: SL SL Isolator, z. B. Oxid =Potenzialbarriere SL I NL T wä T=0 ch st 2 (T) 2 0 e. U 25. Juni 2005, 37

Energielücke bei T > 0 25. Juni 2005, 38

Energielücke bei T > 0 25. Juni 2005, 38

Josephson-Effekte 1. Josephson-Gleichung 2. Josephson-Gleichung Brian D. Josephson Nobelpreis 1973 25. Juni 2005, 39

Josephson-Effekte 1. Josephson-Gleichung 2. Josephson-Gleichung Brian D. Josephson Nobelpreis 1973 25. Juni 2005, 39

Josephson-Gleich- und Wechselstrom Iges In I 0 Is t 25. Juni 2005, 40

Josephson-Gleich- und Wechselstrom Iges In I 0 Is t 25. Juni 2005, 40

Moderne Entwicklungen 25. Juni 2005, 41

Moderne Entwicklungen 25. Juni 2005, 41

Kuprate – "Hochtemperatursupraleiter" YBa 2 Cu 3 O 7 Tc = 93 K 25.

Kuprate – "Hochtemperatursupraleiter" YBa 2 Cu 3 O 7 Tc = 93 K 25. Juni 2005, 42

Anwendungen - Metrologie 25. Juni 2005, 43

Anwendungen - Metrologie 25. Juni 2005, 43

Anwendungen - Fehlerstromschalter 25. Juni 2005, 44

Anwendungen - Fehlerstromschalter 25. Juni 2005, 44

Anwendungen - Filter http: //www. suptech. com/pdf/superfilter 2. pdf incl. Kryo-Kühler 25. Juni 2005,

Anwendungen - Filter http: //www. suptech. com/pdf/superfilter 2. pdf incl. Kryo-Kühler 25. Juni 2005, 45

Josephson-Computer http: //pavel. physics. sunysb. edu/RSFQ/ 25. Juni 2005, 46

Josephson-Computer http: //pavel. physics. sunysb. edu/RSFQ/ 25. Juni 2005, 46

Zusammenfassung • Zentrale Bedeutung kohärenter Zustände • Phänomenologische London- und Ginzburg-Landau-Theorien Josephson-Effekte • Mikroskopische

Zusammenfassung • Zentrale Bedeutung kohärenter Zustände • Phänomenologische London- und Ginzburg-Landau-Theorien Josephson-Effekte • Mikroskopische Erklärung der Elektronenpaarung, der Kohärenz und der Energieabsenkung in der BCS-Theorie 25. Juni 2005, 47

Realisierte Anwendungen • Magnete (Forschung und Medizin) • Energieübertragung (Laborbetrieb) • Levitation • Strombegrenzer

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) 25. Juni 2005, 48

25. Juni 2005, 49

25. Juni 2005, 49

Wichtige Persönlichkeiten Kamerlingh Onnes van der Waals J. Franck M. Born W. Meißner 25.

Wichtige Persönlichkeiten Kamerlingh Onnes van der Waals J. Franck M. Born W. Meißner 25. Juni 2005, 50