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Helmut Kinder Technische Universität München, D-85747 Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur.

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1 Helmut Kinder Technische Universität München, D Garching, und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D Eching Supraleiter- von der Wissenschaft zur Technologie

2 Inhalt Was ist Supraleitung? Wie funktioniert sie? Schnellkurs in Quantenmechanik Supraleiter als klassische Welle BCS-Theorie bei Anwendungen wird es kritisch der erste Durchbruch: Supraleiter 2. Art große Magnetspulen die Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) Leiter und Dünne Schichten aus HTSL Neueste Trends Schlussbemerkung

3 Was sind Supraleiter? Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand Bewegung der Elektronen ohne Reibung Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch Magnete Supraleiter

4 Mit Kamerlingh Onnes fing alles an 1911Entdeckung der Supraleitung 1913Nobelpreis Hg 1908Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C)

5 Entwicklung der Sprungtemperatur "klassische" SL "Hochtemperatur"- Supraleiter flüss. Stickstoff

6 Wie funktioniert Supraleitung? Erklärung nur durch Quantenmechanik die klassische Physik versagt! Supraleitung ist die Spielwiese der QM SL QM

7 Schnellkurs in Quantenmechanik Newton 1704:Licht-Teilchen Huygens 1691:Licht-Wellen Planck 1900:Licht-Quanten E = hν Heisenberg:es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen ! dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten Quadrat? Kreis? Zylinder!

8 Beugung am Regenschirm

9 Beugungs-Experimente mit Quanten Quelle Doppelspalt Schirm wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen

10 Elektronen im Supraleiter Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren alle Paare zusammen bilden klassische Welle: "Cooperpaare" " Makroskopischer Quantenzustand "

11 Wellen auf dem Ring n=1n=2 n=3usw... Wellenlänge muss auf den Umfang passen: d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ 0

12 Flussquantisierung: Experiment Doll und Näbauer München 1961 Magnetfluss im Ring äußeres Magnetfeld erster Beweis für Paare!

13 Josephson-Effekt 2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren empfindlichstes Messinstrument überhaupt Superconducting QUantum Interference Device, SQUID Engstellen B Strom Magnetfeld B (10 -5 T) Strom

14 "gleichnamige Ladungen stoßen sich ab" Die Paar-Anziehungskraft - gilt nicht im Festkörper! "Matratzenbild": klassische SL: Gitterdeformation HTSL: magnetische Wechselwirkung

15 BCS-Theorie J. BardeenL. N. CooperR. Schrieffer Paare sind miteinander "verzahnt" Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt" wegen Pauliprinzip Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom ! Demonstration dazu

16 bei Anwendungen wird es kritisch SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen ! Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt

17 B=0 Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe verdrängt Walther Meissner sonst kein SL Zustand möglich Ursache: der Meissner-Effekt irgendwann geht dem SL "die Luft aus": kritische Feldstärke Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld immer mehr

18 Die Supraleiter zweiter Art das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt SL bildet Flussquanten weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie Kritische Feldstärke erhöht sich stark

19 Kritische Felder von SL 2. Art T in Kelvin Bc in Tesla

20 der erste technische Durchbruch "Stabilisierung" bringt technische Reife NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen Vieldraht-Leiter Einzeldrähte NbTi in CuNi-Hülle 20x

21 Beschleuniger-Magnete Hera-Tunnel, DESY, Hamburg 4,7 Tesla 6,3km LHC-Projekt, Genf 1200 Dipolmagnete 8,6T je 15m, 24t (bis 2005)

22 8,6km CERN

23 IGC Magnetresonanz-Tomographie MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten

24 NMR-Spektroskopie Kernspin-Resonanz bei 900 MHz/21Tesla für chemische Analyse mit Nb 3 Sn-Spule für höchste Magnetfelder NMR-Spektrum

25 "Hochtemperatur"-Supraleiter Nobelpreis Ende 1987 A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte erster HTSL (LaBa) 2 CuO 4 W. BednorzA. Müller 1987Supraleiter mit T c > 90 K

26 Die wichtigsten HTSL Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (BSCCO oder Bi-2223)110K Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (TBCCO oder Tl-2223)125K HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (HBCCO oder Hg-1223)138K YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO oder Y-123)93 K YBCO CuO2-Ebenen tragen die SL

27 Erweiterte Grenzen

28 Herstellung von BSCCO-Leitern REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM Teil 2: Metallurgie Teil 1: Rohling herstellen Pulver-HerstellungBolzen versiegeln Draht ziehen neu bündelnneu ziehen flach walzenWärmebehandlung

29 BSCCO-Leiter Leiter-Vergleich mit Kupfer Kabel aus 170 Leitern REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

30 Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht (Pirelli + American Superconductor) Umspannwerk Detroit-Frisbee 3-adriges SL Kabel 360 m lang

31 MRT-Spule aus BSCCO-Draht (Siemens +Oxford Instruments) offenes System für seitlichen Zugang (Operationen)

32 YBCO Dünnschichten 230 mm kostengünstig durch Vielfach-Prozess hohe Qualität und Reproduzierbarkeit Heizer 700°C O 2 Sauerstoff Verdampfer Yttrium rotierendes "Garching-Verfahren" Vakuumpumpe zur Vakuum Substrat Barium Kupfer

33 Filter aus YBCO-Dünnschichten Filter höchster Trennschärfe (Bosch/Astrium+THEVA) Mobilfunk - Stationen Satelliten - Kommunikation Satelliten-Transponder

34 Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten schnelle Absicherung in der Energietechnik erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen (Siemens +THEVA +TU München)

35 Wirkungsweise von Strombegrenzern Zeit (ms) Strom (A) Spannung (V)

36 THErmal EVAporation = THEVA GmbH Produkte YBCO Filme Beschichtungsanlagen Beschichtungsanlagen J c -Scanner J c -Scanner F&E: Bandbeschichtung Bandbeschichtung Energietechnik-Anwendungen Energietechnik-Anwendungen Mikrowellen Mikrowellen gegründet Vollzeit-Mitarbeiter

37 Neuere Entwicklung: MgB 2 einfache Verbindung Standard-Chemikalie Magnesium Bor Magnesium-Diborid T c =39K "Matratze"

38 Die SL sind immer gut für Überraschungen Schlussbemerkung Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik "klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt "Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich

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