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 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 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 (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
Supraleiter 25. Juni 2005, 6
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 (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
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
Magnetfeldverdrängung Ampèresches Gesetz 25. Juni 2005, 12
Flussquantisierung S S B 0 Flussquant 25. Juni 2005, 13
Elektronenpaare 25. Juni 2005, 14
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 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 DGL für y 25. Juni 2005, 17
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 2005, 19
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
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
Kohärente Zustände (Schrödinger 1926) 25. Juni 2005, 24
Poisson Verteilung n <n> 25. Juni 2005, 25
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 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
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 Energieabsenkung Kopplungskonstante 25. Juni 2005, 31
BCS-Wellenfunktion 25. Juni 2005, 32
Paardispersion und Energielücke 25. Juni 2005, 33
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
Energielücke bei T = 0 25. Juni 2005, 36
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
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
Moderne Entwicklungen 25. Juni 2005, 41
Kuprate – "Hochtemperatursupraleiter" YBa 2 Cu 3 O 7 Tc = 93 K 25. Juni 2005, 42
Anwendungen - Metrologie 25. Juni 2005, 43
Anwendungen - Fehlerstromschalter 25. Juni 2005, 44
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
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 • 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
Wichtige Persönlichkeiten Kamerlingh Onnes van der Waals J. Franck M. Born W. Meißner 25. Juni 2005, 50
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