Supraleitung - WordPress.com · Mai 2009 Supraleitung mündliche Präsentationstechniken 11 Universität Bremen BCSTheorie (John Bardeen, Leon Cooper, J. Robert Schrieffer, veröffentlicht

Mai 2009Supraleitung

mündliche Präsentationstechniken

1 Universität Bremenhttp://www.ac2.unibayreuth.de/teaching/hs/

Vortrag von Alexander Erlich

B. Sc. Physik, 4. Semester

[email protected]

SupraleitungSupraleitung

Betreuer: Dr. Thomas Schmidt

http://www.ac2.uni-bayreuth.de/teaching/hs/



2 Universität Bremen

Ein erstaunliches Phänomen

http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/Magnetschwebebahn%201.mpg

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/Magnetschwebebahn 1.mpg




Ein erstaunliches Phänomen

http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/Magnetschwebebahn%201.mpg

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Einleitung

Riesiges Themengebiet: 5 Nobelpreise

Supraleitung: Verschwinden des elektrischen Widerstandes bei tiefen Temperaturen

Schrieffer/Bardeen/Cooper (1972)Josephson (1973)

Müller/Bednorz (1987)

Ginzburg/Aprikosov/

Leggett (2003)

Onnes (1913)




Inhalt

Die Entdeckung der Supraleitung

MeißnerOchsenfeldEffekt

BCSTheorie

JosephsonEffekt

HochtemperaturSupraleitung

Anwedungen der Supraleitung

ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770




Die Entdeckung des Phänomensder Supraleitung

1908: Heike Kamerlingh Onnes gelingt die Verflüssigung von Helium

1911: Onnes entdeckt mit seinen zwei Mitarbeitern sprungartigen Widerstandsverlust

1913: Onnes bekommt PhysikNobelpreis

Onnes' Originalmessung. Kittel [2], S. 361

T [K]

R [Ω]




Heike Kamerlingh Onnes (18531926)

Links: http://www.kb.nl/hkc/nobel/onnes/onnesboerhaave.jpg Mitte: http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/explosion/KOlab.jpgRechts: http://www.science.uva.nl/research/itf/images/vdwaals_large.jpg

http://www.kb.nl/hkc/nobel/onnes/onnes-boerhaave.jpg

http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/explosion/KOlab.jpg

http://www.science.uva.nl/research/itf/images/vdwaals_large.jpg





Entdeckung 1933 durch Walther Meißners und Robert Ochsenfelds

Supraleiter verdrängen äußeres Magnetfeld

Kittel [2], S. 362 (oben) Foto: C. Windzio, Physikalisches Praktikum der Uni Bremen (unten)

E=ϱs⋅ j (Ohm'sches Gesetz)

rot E=−∂ B∂ t

(2. MaxwellGl.)

Baußen≠0

Supraleiter ≠ Leiter mit ϱ s=0

normalleitender Zustand

supraleitender Zustand




Magnetische Levitation

Technorama Winterhur (Schweiz), YBCOhttp://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9FnerOchsenfeldEffekt

http://de.wikipedia.org/wiki/Mei?ner-Ochsenfeld-Effekt




Inhalt



BCSTheorie

JosephsonEffekt







BCSTheorie (John Bardeen, Leon Cooper, J. Robert Schrieffer, veröffentlicht 1957)

Elektronen bilden CooperPaare

CooperPaare: Bewegung ohne Streuung

Brown'sche Bewegung kann CooperPaare trennen

Gitterschwingungen wandern als Phononenbearbeitet nach: John R. Kirtley et al.: “Probing HightTemperature

Superconductivity”,Scientific American, August1996, S. 73

klassisch BCS




Veranschaulichungen der ElektronPhononWechselwirkung

Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung. WileyVCH, 2004, S 117/118. Foto: http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg

John Bardeen (19081991)

1972: Nobelpreis für BCSTheorie

1956: Nobelpreis für Transistor

http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg




Inhalt



BCSTheorie

JosephsonEffekt







JosephsonEffekt

U außen = 0 ⇒ I Tunnel=

0

Metall im supraleitenden Zustand

Isolierende Nanoschicht

TunnelStrom

U außenU außen

I Tunnel

U außen~

0 ⇒ I Tunnel=

0

U außen=

0 ⇒ I Tunnel~

0

U=h

2⋅e⋅f

Bearbeitet nach: Buckel/Kleiner: Supraleitung. WileyVCH, 2004, S 136

I außen

U außen= bzw. ~

⇔ I Tunnel~ bzw. =




Inhalt



BCSTheorie

JosephsonEffekt







Supraleiter im Lauf der Jahrzehnte

Flüssiges Helium

Flüssiger Stickstoff

Onnes (1911)Onnes (1911) Müller/Bednorz (1986)Müller/Bednorz (1986)

heutiger Rekord ( 138K )heutiger Rekord ( 138K )

bearbeitet nach: Paul C. Canfield, Sergey L. Bud'ko: “Heiße Aussichten für Tieftemperatur Supraleiter”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Juni 2005, S. 60




Inhalt



BCSTheorie

JosephsonEffekt







Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele

Medizin: Kernspintomographie

http://www.vincenz.de/HP/radio_kernspin.jpg Ludwig Schultz et al. (Hg.): “Die Welt hinter den Dingen”. VileyVCH, 2005, S. 42

http://www.vincenz.de/HP/radio_kernspin.jpg






HochenergiePhysik: Teilchenbeschleuniger

http://theobservereffect.files.wordpress.com/2009/03/lhc_hall_1.jpg

Large Hadron Collider, Halle 1

http://theobservereffect.files.wordpress.com/2009/03/lhc_hall_1.jpg






HochenergiePhysik: Teilchenbeschleuniger

Messtechnik: PicoVoltmeter, PicoTeslameter

David J. Bishop et al.: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, S. 54

SquidPicoVoltmeter





Forschung: Kernfusionsreaktor

Modell eines KernfusionsReaktors („ITER FEAT“)

Geoff Brumfiel: “Just around the corner”, Nature Vol 434, S. 319






LeiterWerkstoffe: Supraleitendes Kabel

supraleitendes Kabel

A.Malozemoff, J.Mannhart, D.Scalapino, Hochtemperatursupraleiter in der Technik, Physik in unserer Zeit, Nr. 37 (2006), 162 169‐







Industrie/Technik:Reibungsfreie Lager / Gelenke

http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/Supraleitender%20Lift%201.mpg

supraleitend berührungsfrei gelagerter Lift

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/Supraleitender Lift 1.mpg








Transportwesen: Magnetschwebebahn

Fastest Train in the World: 581km/h, http://www.youtube.com/watch?v=IPduAYKk_6I

Supraleitender Magnetschwebezug Maglev MLX 01

http://www.youtube.com/watch?v=IPduAYKk_6I








Transportwesen: Magnetschwebebahn

http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/supratrans2.wmv

SupraTrans: Supraleiter im Trag und Führsystem

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/supratrans2.wmv




Zusammenfassung

„Die Theorie der HochtemperaturSupraleitung ist noch völlig im Fluß [und ist ein] faszinierender aktueller Forschungsgegenstand.“

Prof. Dr. Gerd Czycholl in „Theoretische Festkörperphysik“, S. 348

BCSTheorieElektronen verformen Gitter

Bilden dadurch CooperPaare

JosephsonEffekt U außen

= bzw. ~⇔ I Tunnel

~ bzw. =

Anwendungen: viele Bereiche


MagnetfeldVerdrängung

Supraleiter klassischer Leiter mit

≠ϱs=0




Quellenverzeichnis Bücher

● Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung – Grundlagen und Anwendungen. WileyVCH, 2004

● Charles Kittel: “Einführung in die Festkörperphysik”. Oldenbourg Verlag 1999

● Jay Orear: “Physik. Band 2”, Carl Hanser Verlag, 1991

● Friedhelm Noack: “Einführung in die elektrische Energietechnik”. Carl Hanser Verlag, 2003

● Franz Moeller, Heinrich Frohe, et al.: “Moeller – Grundlagen der Elektrotechnik”. Vieweg+Teubner Verlag, 2008

● Wilhelm Raith (Hg.): “Bergmann/Schäfer Band 6 – Festkörper”, de Gruyter 1992




Quellenverzeichnis Bücher

● Halliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770

● C. Thomsen, H.E. Gumlich: “Ein Jahr für die Physik – Newton, Feynman und andere”. Wissenschaft und Technik Verlag Dr. Jürgen Groß, 1995

● Tony Hey, Patrick Walters: Das Quantenuniversum. Spetrum Akademischer Verlag, 1998

● Bernd Müller: “Neun mal Klüger – Die größten Entdeckungen. Die wichtigsten physikalischen Meilensteine der letzten 25 Jahre”, Bild der Wissenschaft, November 2008, S. 63

● Präsentationstechnik vonGABAL Verlag GmbH, ISBN: 389749471X

● Ludwig Schultz, HermannFriedrich Wagner (Hg.): “Die Welt hinter den Dingen”. VileyVCH, 2005




Quellenverzeichnis Zeitschriften

● Georg Wolschin: “BoseEinsteinKondensat tunntelt à la Josephson”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/1999, S. 24

● David J. Bishop, Peter L. Gammel, David A. Huse: “Magnetisches Verhalten von HochtemperaturSupraleitern”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 4/1993, Seite 46

● Steven Kivelsen, DungHai Lee, ShouCheng Zhang: “QuantenHallEffekt und Supraleitung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/1996, Seite 52

● John R. Kirtley, Chang C. Tsuei: “Probing HightTemperature Superconductivity”,Scientific American, August 1996, S. 6873

● John R. Kirtley, Chang C. Tsuei: “Ein Quantenmodell der HochtemperaturSupraleitung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 10/1996, S. 86





● Rudolf de Bruyn Ouboter: “Heike Kamerlingh Onnes's Discovery of Superconductivity”, Scientific American, Ausgabe März 1997, S. 98103

● Bernhard Gerl: “Eiskalter Schiffsantrieb”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 11/2004, S. 42

● Michael Pekeler, Peter Schmüser: “Supraleitung für Teilchenbeschleuniger”, Physik Journal, Ausgabe 5/2006, S. 4551

● Emanuela Buyer: “Magnetisch angezogene Paare”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Februar 2007, S. 1415

● Alexei A. Abrikosov: “Die Entdeckung der TypIISupraleitung”, Physikalische Blätter 57 (2001) Nr. 1





● Hans HenningKlauss, Bernd Büchner: “Neuer Goldrausch in der Supraleitung”, Physik Journal, Ausgabe 7/2008, S. 1819.

● Paul C. Canfield, Sergey L. Bud'ko: “Heiße Aussichten für TieftemperaturSupraleiter”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Juni 2005

● Paul C. W. Chu: “HighTemperature Superconductors”, Scientific American, Ausgabe September 1995, S. 162165

● Anonym: “Sprungtemperatur macht großen Sprung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 3/2001, S. 26

● Helmut Eschrig, Jörg Fink, Ludwig Schultz: “15 Jahre HochtemperaturSupraleitung”, Physik Journal, Ausgabe 1/2002, S. 4551




Quellenverzeichnis Zeitschriften● Helmut Eckhardt, HansJürgen Kalz: “Optimieren von Hochtemperatur

Supraleitern für den praktischen Einsatz”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 11/1993, S. 94

● Stefan Maier: “Erstes supraflüssiges Gas erzeugt?”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 4/2003, S. 12

● Alexander Pawlak: “Nobelpreise – Supraleiter und Supraflüsigkeiten”, Physik Journal, 2 (2003) Nr. 11, S. 6

● Steven Kivelsen, DungHai Lee, ShouCheng Zhang: “Electrons in Flatland”, Scientific American, Ausgabe März 1996, S. 8691

● David J. Bishop, Peter L. Gammel, David A. Huse: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, Scientific American, Februar 1993, S. 4855

● Geoff Brumfiel: “Just around the corner”, Nature Vol 434, 21. Juli 2005



33 Universität Bremenhttp://www.ac2.unibayreuth.de/teaching/hs/

Vortrag von Alexander Erlich

B. Sc. Physik, 4. Semester

[email protected]

Zusätzliche FolienZusätzliche Folien

Betreuer: Dr. Thomas Schmidt

http://www.ac2.uni-bayreuth.de/teaching/hs/




Typ I Typ II

MeißnerO.Effekt tritt vollständig auf

idealer Diamagnet

v.a. sehr reine metallische Elemente

zwei kritische Magnetfelder Bc1, Bc2

Für Bc1<B<Bc2 teilweiser M.O.Effekt

Legierungen, Keramiken Beide Bilder aus Tipler: Modern Physics, S. 486

Arten von Supraleitern




MeißnerO.Effekt tritt vollständig auf

idealer Diamagnet

v.a. sehr reine metallische Elemente

zwei kritische Magnetfelder Bc1, Bc2

Für Bc1<B<Bc2 teilweiser M.O.Effekt

Legierungen, Keramiken Bilder aus Tipler: Modern Physics, S. 484/486

Typ I Typ IIArten von Supraleitern




FlußQuantisierung beim Typ II Betrachtet: Supraleiter 2. Art mit

unvollständiger MeißnerEffekt: teils normalleitend, teils supraleitend

Bc1BB c2

Magnetisches PhasendiagrammMeissnerEffekt: betrachteter Bereich

Tipler: Modern Physics, S. 484/486 (links)David J. Bishop et al.: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, S. 52




FlußQuantisierung beim Typ II

Anordnung der magnetischen Flußröhren in „Dreiecksform“ Flußröhren durchdringen

supraleitenden Bereich (blau)

Normalleitender Bereich: Flußröhren

Jede trägt den gequantelten Fluß

m=n⋅h

2⋅e=n⋅2,0678⋅10−15Tm 2

für n=1,2,3, ...

David J. Bishop et al.: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, S. 50/51




Sprungtemperaturen

Typ I: v.a. sehr reine metallische Elemente

Typ II: nicht elementar – meistens Legierungen Tabelle: Tipler [4], S. 594

PSE: Ibach/Lüth,Festkörperphysik,Springer, Berlin




John Bardeen (19081911)

1962: Nobelpreis für BCSTheorie

zusammen mit Leon Cooper und J. Robert Schrieffer

1956: Nobelpreis für Transistor

zusammen mit William B. Shockley und Walter Brattain

Bardeen: http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg Transistor: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/

Nachbau_des_ersten_Transistors.jpg

http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/





1987: PhysikNobelpreis für Bednorz und Müller

ihre Entdeckung:

Heutiger Rekord:

flüssiger Stickstoff ersetzt Helium als Kühlmittel

BCSTheorie keine ausreichende Erklärung

T c LaBaCuO= K30

T c TlBaCuO = K125

Tabelle: Tipler [4], S. 604Czycholl: http://wwwsolidstate.physik.unibremen.de/czycholl/gerd1100.jpg

http://www-solidstate.physik.uni-bremen.de/czycholl/gerd1100.jpg




JosephsonKontakte

Brian Josephson machte drei wichtige Entdeckungen:

1) JosephsonKontakt: CooperPaare können ohne Widerstand tunnelnGleichstrom fließt mit

2) WechselstromJosephsonEffekt: Wird U an J.Kontakt angelegt, fließt Wechselstrom mit

3) SQUID: Superconducting Quatum Interference Device

f =2eU

h

I=I max sin 2−1




SQUID: Superconducting Quatum Interference Device

Supraleitender Ring: Zwei JosephsonKontakte

Konstantes BFeld auf den Ring >Interferenz

Ermöglicht Messung von Magnetfeldern

10−14 T

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