Supraleitung Entdeckung und erste Experimente London-Theorie

Präsentation zum Thema: "Supraleitung Entdeckung und erste Experimente London-Theorie"—  Präsentation transkript:

1 Supraleitung Entdeckung und erste Experimente London-Theorie
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

2 Entdeckung und Schlüsselexperimente
Kamerlingh Onnes Heike Kamerlingh Onnes 1911 Leiden Comm. 120b, 122b, 124c

3 Schlüsselexperimente
2. Kritisches Feld T Tc B Bc normalleitend supraleitend

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

5 Idealer Leiter

6 Supraleiter

7 R = 0 und Bin = 0 wegunabhängig (idealer Diamagnet)
Walther Meissner R = 0 und Bin = 0 wegunabhängig (idealer Diamagnet)

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

9 Schlüsselexperimente (Fortsetzung)
5. Kohärenter makroskopischer Quantenzustand (Josephson-Effekt)

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

11 London-Theorie II Imaginärteil 2. London-Gleichung using
Kontinuitätsgleichung für Wahrscheinlichkeitsdichten 2. London-Gleichung using

12 Magnetfeldverdrängung
Ampèresches Gesetz

13 Flussquantisierung S S Flussquant B0

14 Elektronenpaare

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

16 Ginzburg-Landau-Theorie
Tc n/2 T sinkt P T > Tc T < Tc ungeordnet geordnet T = Tc F |y|2 Gültigkeitsbereich der GL-Theorie

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

18 GL-Theorie: Konsequenzen
x NL (x)² SL ² Ba B(x) GL GL Energieerniedrigung (keine Feldverdrängung) Energieerhöhung (y unterdrückt)

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

20 Flussliniengitter (Abrikosov 1958)
H(r) y0 y(r) 0 x l r

21 Lev Landau Vitaly Ginzburg Alexei Abrikosov Nobelpreis 1962 Nobelpreis 2003 Nobelpreis 2003

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

23 Schwebender Magnet

24 Kohärente Zustände (Schrödinger 1926)

25 Poisson Verteilung Dn <n>

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

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

28 BCS-Theorie Isotopeneffekt für Sn: allgemein: Phononen sind wichtig

29 Ursprung der Elektron-Elektron-WW
Kopplung ist dynamisch! BCS-Näherung

30 Cooper-Paare T = 0 EF EF + wD

31 Cooper-Paare Energieabsenkung Kopplungskonstante

32 BCS-Wellenfunktion

33 Paardispersion und Energielücke

34 Dispersion Quasiteichen bei T > 0 k kF E 0 Ek ek

35 BCS John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer

36 Energielücke bei T = 0

37 Tunnelspektroskopie SL SL SL Isolator Isolator, z. B. Oxid
SIS-Tunneldiode: SL Isolator Isolator, z. B. Oxid =Potenzialbarriere 20 eU I T=0 2(T) NL T wächst

38 Energielücke bei T > 0

39 Josephson-Effekte Brian D. Josephson Nobelpreis 1973
1. Josephson-Gleichung 2. Josephson-Gleichung

40 Josephson-Gleich- und Wechselstrom
Iges In I0 Is

41 Moderne Entwicklungen

42 Kuprate – "Hochtemperatursupraleiter"
YBa2Cu3O7 Tc = 93 K

43 Anwendungen - Metrologie

44 Anwendungen - Fehlerstromschalter

45 Anwendungen - Filter http://www.suptech.com/pdf/superfilter2.pdf
incl. Kryo-Kühler

46 Josephson-Computer

47 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

48 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)

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