Supraleitfhigkeit Elektrischer Widerstand r Die Sprungtemperatur kritische Temperatur

Supraleitfähigkeit Elektrischer Widerstand r Die Sprungtemperatur (kritische Temperatur) Reines Metall a ist eine Materialkonstante (Isotopieverschiebung der Sprungtemperatur) Tc Metall mit Verunreinigungen 0. 1 K T 1

Supraleitfähigkeit Supraleitende Elemente: Al Cd Ga Hg In Ir La Mo Nb Os Pb Re T[K] 1. 19 0. 56 1. 09 4. 00 3. 40 0. 14 5. 00 0. 92 9. 13 0. 65 7. 19 1. 70 Ru Sn Ta Tc Th Ti Tl U V Zn Zr T[K] 0. 49 3. 72 4. 48 8. 22 1. 37 0. 39 2. 39 0. 68 5. 30 0. 87 0. 55 2

Isotopieverschiebung Material T[K] Zn Cd Sn Hg Pb Tl 0. 87 0. 56 3. 72 4. 00 7. 19 2. 39 a 0. 45± 0. 05 0. 32± 0. 07 0. 47± 0. 02 0. 50± 0. 03 0. 49± 0. 02 0. 61± 0. 10 Material T[K] a Ru Os Mo Nb 3 Sn Mo 3 Ir Zr 0. 49 0. 65 0. 92 18 0. 00± 0. 05 0. 15± 0. 05 0. 33 0. 08± 0. 02 0. 33± 0. 03 0. 00± 0. 05 0. 55 3

Supraleitfähigkeit Temperaturabhängigkeit des kritischen magnetischen Feldes Im magnetischen Feld Hc Nicht supraleitend Supraleiter: Meissner-Effekt Supraleitend Tc T Sonst: -10 -6 4

Supraleiter im magnetischen Feld außen: Feld innen: Magnetisierung: Arbeit pro Volumeneinheit (Magnetisierung des Supraleiters entgegen der Feldrichtung) Supraleiter im magnetischen Feld liegt energetisch höher als ohne Feld Dies ist ein Beitrag der „supraleitenden“ Elektronen zu der Gesamtenergie 5

Übergang „normal-supraleitend“ Thermodynamische Betrachtung G … Gibbs-Potential (freie Enthalpie) U … Enthalpie T … Temperatur S … Entropie B … äußeres magnetisches Feld T<Tc: U (und S) klein für SC, daher ist SC stabiler T>Tc: S größer für „normal“ (geringere Ordnung), daher ist der „normale“ Zustand stabiler B>0 : Freie Enthalpie ist kleiner, wenn S größer ist (Normalzustand) 6

Supraleitfähigkeit Material T[K] Nb. C 14 Nb. N 16 Nb 3 Al 18 Nb 3 Ge 23 Nb 3 Sn 18 Si. V 3 17 Mg. B 2 40 YBa 2 Cu 3 O 7 -d 110 S. L. Bud’ko and P. C. Canfield: Temperature-dependent Hc 2 anisotropy in Mg. B 2 as inferred from measurements on polycrystals, Phys. Rev. B 65 (2002) 212501. 7

Supraleiter I. Art II. Art „Normale“ Leitfähigkeit hinter Hc Supraleitfähigkeit verschwindet allmählich zwischen Hc 1 und Hc 2 -M -M Supraleitend Nicht supraleitend Hc H Hc 1 Hc Hc 2 H 8

Theorie(n) der Supraleitfähigkeit Superelektronen: keine Streuung, die Entropie des Systems ist gleich null (perfekte Ordnung des Systems), große kohärente Länge 9

London Theorie (Meissner-Effekt) Ohm: London: (statische Bedingungen) Maxwell: Lösung: Meissner Effekt: B l. L … Londonsche Eindringstiefe x 10

Konsequenzen der London Theorie l. L beschreibt die Eindringstiefe des magnetischen Feldes in das Material. In der Distanz l. L sinkt die Intensität des magnetischen Feldes auf 1/e. Ein äußeres Magnetfeld Ba dringt ganz homogen eine dünne Schicht durch, wenn ihre Dicke viel kleiner als l. L ist. In solcher Schicht ist der Meissner Effekt nicht vollständig. Das induzierte Feld (im Material) ist kleiner als Ba, daher ist das kritische, parallel zu den dünnen Schichten orientierte Magnetfeld sehr hoch. 11

BCS Theorie der Supraleitfähigkeit J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 106 (1957) 162. J. Bardeen, L. N. Cooper and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 108 (1957) 1175. 1. Wechselwirkung zwischen Elektronen kann zu einem Grundzustand der Elektronen führen, der von den aufgeregten elektronischen Zuständen durch eine Energielücke getrennt ist. Aber: es gibt auch Supraleiter ohne Energielücke! E E 12

Kohärenzlänge Der Abstand, auf dem sich die Breite der Energielücke im räumlich veränderlichen magnetischen Feld nicht wesentlich ändert. London: 13

BCS Theorie der Supraleitfähigkeit 2. Die Energielücke entsteht aufgrund der Wechselwirkung zwischen Elektronen über die Gitterschwingungen (Phonon). Ein Elektron verzerrt das Kristallgitter, ein anderes Elektron „sieht“ das verzerrte Gitter und paßt seine Energie diesem Zustand so an, daß seine Energie sinkt. So funktioniert die Wechselwirkung zwischen Elektronen über das Kristallgitter. 14

BCS Theorie der Supraleitfähigkeit 3. Aus der BCS Theorie folgen die Londonsche Eindringstiefe für das Magnetfeld und die Kohärenzlänge. Damit ist der Meissner-Effekt erklärt. London: Meissner: Kohärenzlänge: 15