SUPRALEITUNG K.Conder LDM ETH/PSI

Isolator Halbleiter Leiter Supraleiter

Elektrische Widerstand bei tiefen Temperaturen Kelvin: die Elektronen werden „eingefroren“ und der Widerstand steigt (bis zu ). Dewar: das Kristallgitter wird „eingefroren“- die Elektronen werden nicht gestreut. Der Wiederstand nimmt kontinuierlich ab (bis zu 0). Matthiesen: Restwiderstand durch Verunreinigungen im Kristallgitter. Temperatur Widerstand Kelvin (1902) Matthiessen (1864) Dewar (1904)

Supraleitung-die Entdeckung „Mercury has passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the superconducting state“ H. Kamerlingh Onnes 1913 (Nobelpreis 1913) Widerstand R=0 unterhalb von TC; (R<10-23 cm, 1018-mal kleiner als für Cu) Verflüssigung von Helium (4K) Supraleitung in Hg TC=4.2K (1911)

Leiter und Supraleiter Der elektrische Widerstand von Metallen nimmt mit sinkender Temperatur ab Verunreinigungen und Gitterdefekte sind verantwortlich für einen Restwiderstand Jetzt weiss man schon dass dieses Verhalten mit einer so genanten Paarung von Ladungsträgerverbunden (z.B. Elektronen) ist. Die Elektronen bilden Paare dessen Bewegung im Festkörper kaum gestört werden könnte. Wir wissen je aber, dass zwischen zwei Elektronen eher eine Abstossungskraft wirkt. Was ist diese Anziehungskraft die zwischen Elektronen in einem Paar wirkt? In einigen Materialien fällt beim Abkühlen der Elektrische Widerstand sprungartig auf Null Widerstand <10-23 cm

Weitere Entdeckungen 1911-1986: “Tieftemperatur-Supraleiter” Höchste TC=23K für Nb3Ge 1986 (Januar): Hochtemperatur-Supraleiter (LaBa)2 CuO4 TC=35K K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon) (Nobelpreis 1987) 1987 (Januar): YBa2Cu3O7-x TC=93K 1987 (Dezember): Bi-Sr-Ca-Cu-O TC=110K, 1988 (Januar): Tl-Ba-Ca-Cu-O TC=125K 1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O TC=133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich)

Fundamentale Eigenschaften Tc(onset)=94K R=0 unterhalb TC Ein induzierter Strom im Ring aus einem Supraleiter floss ohne messbare Verminderung während zweieinhalb Jahre!!! Tc(R=0)=78K

Der Strom kann 100 000 Jahre fliessen!! Nullwiderstand Tiefe Temperaturen: LN2 -1960C (77K) Der Strom kann 100 000 Jahre fliessen!!

Der Meissner-Ochsenfeld-Effekt Ein Supraleiter ist ein perfekter Diamagnet d.h. verdrängt vollständig ein Magnetfeld aus seinem Inneren W. Meissner, R. Ochsenfeld (1933). An der Oberfläche des Supraleiter (T<TC) werden supraleitende Abchirmströme angeworfen, welche ein Magnetfeld erzeugen, das im Inneren des Supraleiters das äussere Magnetfeld exakt kompensiert.

Der Meissner-Effekt II Ein Magnet schwebt (lewitiert) über einem Supraleiter.

Ein Metall in einem Magnetfeld Induktanz/Widerstand

Ein perfekter Leiter

Supraleiter

Was war zuerst das Ei oder das Huhn? Ein perfekter Leiter Die Abchirmströme fliessen ohne Energieverluste! Widerstand muss Null sein!!! Der Meissner-Effekt

Spezifische Wärme Beiträge zur spezifischen Wärme liefern Phononen und Elektronen. Im normalleitenden Zustand ist: cPhononen ~T³ und cElektronen ~T Temperatur Spezifische Wärme cPh ~T³ cEle ~T cEleS ~exp(-C/T) SL NL TC Nach dem Übergang zur Supraleitung gilt: cElektronen ~exp(-C/T) , was zu einem Sprung in der spezifischen Wärme führt.

Supraleitende Elemente Die ferromagnetischen Materialien sind nicht supraleitend Die guten Leiter (Ag, Cu, Au..) sind keine Supraleiter Nb zeigt das höchste TC = 9.2K aller Elemente

Elementarzelle von Cs2RbC60 Supraleitende Verbindungen Verbindung TC [K] Fullerene C60 Nb3Sn 18 Nb3Ge 23 PbMo6S8 15 NbO 2 NaxWO3 6 BaPb1-xBixO3 12 Elementarzelle von Cs2RbC60 (LaSr)2CuO4 36 YBa2Cu3O7-x 93 HgBa2Ca2Cu3O8+x 135 Rb Cs K3C60 19 Cs2RbC60 33

Nb3Ge (TC=23K) Ge Nb Anordnung der Nb-Atome in Ketten parallel zur x-, y- und z-Achse. Diese orthogonalen Ketten schneiden sich nicht. In den Ketten haben die Nb-Atome einen kleineren gegenseitigen Abstand als im Gitter des reinen Nb. Elementarzelle der -Wolframstruktur (A15)

Das Klassische Model der Supraleitung Ein Elektron, das an den Ionen des Gitters vorbeiwandert, kann dessen Lage verschieben. Das Elektron erzeugt ein Phonon. Die Verformung des Gitters bildet eine Region positiver Ladungsdichte, die wiederum ein zweites Elektron anzieht. Phononenfrequenz ~1012Hz, Elektron Gesch. ~108cm/s. (Licht 3·1010cm/s) Während einer Phononoszillation kann das Elektron eine Distanz von ~104Å zurücklegen. Das zweite Elektron wird angezogen ohne die Abstossungskraft des ersten Elektrons zu spüren.

Cooper-Paare. BCS Theorie. I Quantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer 1957) Theorie Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu s.g. Cooper-Paaren. Zwei Kugeln auf einer gespannten Gummimembrane. Wenn eine der beiden Kugeln sinkt, bewegt sich auch die andere auf sie zu.

Cooper-Paare. BCS Theorie.II Quantenmechanische BSC (Bardeen, Cooper, Schrieffer) Theorie Zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins und Impulsen verbinden sich zu s.g. Cooper-Paaren. Da Gesamtimpuls Null ist, gibt es keinen Impuls- bzw. Energieverlust bei der Wechselwirkung mit der Gitter.

Fermie und Bose-Statistik Cooper-Paare bilden sich aus Elektronen mit entgegengesetzten Spins. Fermionen-, Teilchen mit halbzähligem Spin (z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen..) Das Pauli-Verbot -jeder Energiezustand wird nur mit zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins besetzt. Gasamtspin ist Null. C-P sind Bosonen. Das Pauli-Verbot gilt nicht mehr. Alle C-P dürfen den gleichen Quantenzustand mit gleicher Energie einnehmen.

Bose-Einstein Kondensation

Warum sind die Supraleiter (TTSL) supraleitend? Die Bildung eines C-Paares ist für zwei Elektronen energetisch günstiger als unabhängiges Verhalten. Wird die Kopplung in einem C-P aufgehoben (z.B. durch Stoss mit einer Verunreinigung) so ist dies für beide Elektronen energetisch ungünstig. Die Bewegung des C-P wird durch die Bewegung des gemeinsamen (zwei Elektronen!) Schwerpunktes beschrieben: im Stromlosenzustand ist er im Ruhestand, beim Stromtransport verschiebt er sich. Alle C-P befinden sich in gleichen Quantenzustand (Bosonen). Eine Verunreinigung oder Streuung an Gitterionen kann nicht den Quantenzustand für alle C-P gleichzeitig ändern (Kollektives Verhalten).

Für viele Tieftemperatur- Supraleiter =0.5 BCS Theorie: einige Konsequenzen Die guten elektrischen Leiter werden keine Supraleiter Beim guten Leiter ist die Wechselwirkung zwischen Elektronen und dem Gitter schwach. Für die Supraleiter ist die Elektron-Phonon-Kopplung wichtig. Isotopieeffekt Die C-Paarbildung wird über eine Gitterschwingung vermittelt. Diese Schwingung wird von der Masse der schwingenden Gitterionen abhängig. TC~M- Für viele Tieftemperatur- Supraleiter =0.5

BCS Theorie: Spezifische Wärme Temperatur Spezifische Wärme cEleS ~exp(-/kT) SL NL TC Für die Supraleiter: cElektronen ~exp(-/kT) , 2=Eg – Energielücke. Bindungsenergie der Cooper-Paare. 2=Eg EF Cooper-Paare In BCS Theorie: 2=3.5kTC 1eV entspricht einer Temp. ~12000K Tc<20K Eg~1meV Tc~100K Eg~5meV (Eg1.2eV für Si)

Wann werden die Supraleiter nicht mehr supraleitend? Ein fliesender Strom: erzeugt ein Magnetfeld und kann die Supraleitung verhindern. Hoche Temperaturen: starke Eigenschwingungen des Gitters arbeiten der Gitterpolarisation (Elektron-Phonon-Kopplung) entgegen. Magnetfeldern: das Magnetfeld kann die Elektronenspins ausrichten. In C-P müssen die Spins entgegengesetzte Richtungen haben.

Phänomenologische Theorie. London-Gleichungen Die Beweglichkeit der Elektronen im elektrischen Feld dJ/dt=E·n·e2/m Erste Londonsche Gleichung Beschreibt Wiederstandlosesbehalten von Supraleitern: dJ/dt~E. Die Stromdichte J kann unendlich wachsen! m- Ladungsträgermasse n- Ladungsträgerdichte e- Ladung E- Elektrisches Feld Zweite Londonsche Gleichung In einem Supraleiterinneren ist B=0. Das Magnetfeld kann nur teilweise in den Supraleiter eindringen (Oberflächeneffekt).

Eindringtiefe  bezeichnet die Stelle, wo B(x) auf den e-ten Teil des Oberflächenwertes abgefallen ist.

Kohärenzlänge I SL x< GL Die Kohärenzlänge bezeichnet die grösste nichtsupraleitende Strecke die Cooper-Paare durchtunneln können. Xi GL Die Kohärenzlänge bezeichnet den Abstand zwischen den beiden Ladungsträger eines Cooper-Paares.

Josephsoneffekt: M-I-M. Tunneleffekt V NL V=0 V>0 N1(E) N2(E) Metall-Isolator-Metall EF V Ohmscher Kontakt Legt man ein Potenzial an, so bekommt man an beiden Seiten des M-I-M-Überganges unterschiedliche Fermi Niveaus. Die isolierende Barriere könnte durchtunnelt werden. Der Tunnelstrom wird in diesem Fall linear vom Potenzial (der Spannung) abhängig.

Josephsoneffekt: M-I-SL V NL SL T>TC T=0 /e V>/e N1(E) N2(E) Metall-Isolator-Supraleiter 2 V=0 EF V Wen das angelegte Potenzial grösser als /e ist so können die Metall-Elektronen in das Energieband oberhalb der Lücke durchtunneln. Die Strom-Spannungs Charakteristik ist nicht mehr linear.

Josephsoneffekt: SL-I-SL V SL 2/e I0 x T=0 T>TC 2 N1(E) N2(E) V=0 EF V>2/e Supraleiter-Isolator-Supraleiter V Mit einer Erhöhung der Spannung könnte man ähnliche Tunneleffekte wie beim Metall-Isolator-Supraleiter Übergang erreichen. GL> x Tunneleffekt. Cooper-Paare können die Isolatorbarriere durchtunneln (unterhalb vom Kritischen Strom I0)

Ginzburg-Landau Parameter =/GL Tc  [nm] [nm]  Al 1.2 16 1600 0.01 Sn 3.7 34 230 0.16 Pb 7.2 37 83 0.4 <1/2=0.71 Supraleiter Typ I Tc  [nm] [nm]  Nb 9.3 39 38 1 Nb3Sn 18 80 3 27 YBa2Cu3O7 93 150 1.5 100 Rb3C60 30 247 2.0 124 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 110 200 1.4 143 >0.71 Supraleiter Typ II Kappa

Supraleiter Typ I (/GL<0.71) im äusseren Magnetfeld Bi=Ba+0M Das Feld, welches im Supraleiter aufgebaut wird, um das äussere Feld zu kompensieren Das Feld im Inneren des Supraleiters Äusseres Magnetfeld Negative Einheiten ! Das Feld im Inneren des Supraleiters Das Feld, welches im Supraleiter aufgebaut wird, um das äussere Feld zu kompensieren Supraleiter Bi=0 Normalleiter Bi=Ba

Supraleiter Typ II im äusseren Magnetfeld Bi=Ba+0M Flussliniengitter (vortex) in einem Typ-II-Supraleiter. Jede magnetische Flusslinie trägt ein elementares Flussquantum: 0=h/2e2.07·10-15Tm2

Supraleiter Typ II. Die Struktur der Flusschläuche Im Inneren sind die Flussschläuchen nicht supraleitend und das Magnetfeld kann sie durchdringen Der Durchmesser der Flussschläuchen entspricht der Kohärenzlänge Ein Supraleitender Strom fliesst um jeden Flussschlauch Eindringtiefe Kohärenzlänge

Tieftemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm STM (Scanning Tunneling Microscopy) Aufnahme des Abrikosov-Gitters in NbSe2 H. Hess, R.B. Robinson, and J.V. Waszczak, Physica B 169 (1991) 422

Typ I Typ II

Wechselwirkung der Flusslinien mit dem Strom In einem idealen Typ-II-Supraleiter übt ein elektrischer Strom eine Lorenzkraft auf die Flusslinien aus. Die Driftbewegung der Flussschläuche verbraucht Energie und verursacht einen elektrischen Widerstand. FL=j0 FL-Lorenzkraft j-Stromdichte 0-Flussquant Die Defekten im Kristallgitter (z.B. Verunreinigungen) die nicht supraleitend sind, können die Flusslinien „verankern“. Das verhindert die Flusslinienbewegung, solange die Stromdichte einen kritischen Wert jC nicht überschreitet.

Hochtemperatur-Supraleiter Typ II. B-T-Diagramm Ein HTSL zeigt zwei Bereiche der gemischten (FL-Flusslinien) Phase: FL-Festkörper im Bereich Bc1(T)<B<Bm(T) sind die FL fest verankert. FL bilden reguläres Abrikosov-Gitter. Der SL kann einen Transportstrom j<jc verlustfrei tragen. FL-Flüssigkeit. Die thermischen Fluktuationen „befreien“ die FL aus ihren Verankerungen. Der SL zeigt einem elektrischen Widerstand. A unique feature in this context is the ‘irreversibility line’ (U) observed in the H-T phase diagram of high-T, oxides, which separates a magnetically irreversible, zero-resistance state situated below it from a reversible state with dissipative electrical transport properties, on account of a very weak nature of vortex pinning Die Schmelzlinie (irreversibility line)

Irreversibility lines for some of the most important HTS materials

HTSL. Widerstandsmessungen Bi2Sr2CaCu2O8+x Tc=95K Huse, Fisher&Fisher, Nature, 358 (1992) 553

HTc compounds have layered, strongly anisotropic perovskite structure Hochtemperatur-Supraleiter 1986 : Bednorz and Muller discovery of new class of materials: cuprate (Cu oxides): Ba-La-Cu-O 1987 YBCO (Y-Ba-Cu-O) Tc = 93K Bc2  130 T 1988: BSCCO (Ba-Sr-Ca-Cu-O) 110 K HTc compounds have layered, strongly anisotropic perovskite structure

Perovskite ABX3 X B A X=O2-, F-, Cl-) A=alkali, alkali-earth and rare-earth metals, B=transition metals (also Si, Al, Ge, Ga, Bi, Pb…) Perovskite is named for a Russian mineralogist, Count Lev Aleksevich von Perovski. The mineral (CaTiO3) was discovered and named by Gustav Rose in 1839 from samples found in the Ural Mountains.

t Size effects 0.8 0.89 1.0 BaNiO3 (t=1.13) GdFeO3 (t=0.81) cubic Ionic radii are available from: R.D. Shannon, Acta Cryst. A32 (1976) 751-767. 0.8 0.89 1.0 t cubic (SrTiO3) orthorhombic (GdFeO3) hexagonal (BaNiO3) BaNiO3 (t=1.13) GdFeO3 (t=0.81)

d1 perovskites YTiO3 insulator gap 1.0 eV LaTiO3 insulator gap 0.2eV CaVO3 metal SrVO3 metal

Layered perovskites Al/Fe Ca Brownmillerite (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3) Ruddlesden-Popper structures for n = 1, 2 and 3 (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3)

Hochtemperatur-Supraleiter. La2-xSrxCuO4 (LaBa)2 CuO4 TC=35K K.A. Müller und G. Bednorz (IBM Rüschlikon 1986 ) La, Sr Cu O 2SrO  2Sr‘La + 2OxO + VO VO+ 0.5O2 OxO+ 2h

Hochtemperatur-Supraleiter. YBa2Cu3O7-x BaO Y CuO2 -Ebenen 5fache Cu Koordination CuO-Ketten 4fache Cu Koordination Perovskite “YBa2Cu3O9”

X-Rays? Neutrons? Scattering length

Die Synthese 0.5Y2O3 + 2Ba2CO3 + 3CuO + x/2O2  YBa2Cu3O6.5+x + 2CO2 + H CO2 YBa2Cu3O6 Schmelze Phasenumwandlung BaCO3 Thermische Analyse

Charakterisierung Sauerstoffgehaltanalyse: 2Cu3+ + H2O  Cu2+ + 0.5 O2 + 2H+ Jodometrie Wasserstoffreduktion YBa2Cu3O6.5+x + 5H2  0.5Y2O3 + 2BaO + 3Cu +5H2O Röntgenanalyse. Phasenreinheit Widerstand und Magnetisierungsmessungen

Sauerstoffdoping in YBa2Cu3O7-x TC Sauerstoffgehalt ist von der Temperatur (und Sauerstoffpartialdruck) abhängig

Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x BaO CuO2 Y Leitende CuO2-Ebene Löcher Ladungsreservoir Elektronen Leitende CuO2-Ebene Löcher 2Cu2+ + 0.5O2  2Cu3+ +O2- 2CuxCu + 0.5O2  2CuCu + OxO 2CuCu  2CuxCu + 2h

Schichtstruktur der YBa2Cu3O7-x. Anisotropie Anisotrope Schichtstruktur. Die Cooper-Paare können nicht die Ladungsreservoirs durchtunneln. Einheitszelle 3.4Å YBa2Cu3O7 TC=93 ab [Å] c [Å] ab [Å] c [Å] 1500 6000 15 4 8.3Å Bi2Sr2Ca2 Cu3O10 TC=110 ab [Å] c [Å] ab [Å] c [Å] 2000 10 000 13 2 Für Einkristalle YBa2Cu3O7 bei 4.2K jc(ab)~107A/cm2, jc(c)~105A/cm2

Bi-Sr-Ca-Cu-O Bi2Sr2CuO6 2201 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 2223 TC=110K Bi2Sr2CaCu2O8 2212 TC=95K Bi2Sr2CuO6 2201 TC=20K

Sauerstoffdotierung in Bi2Sr2CaCu2O8+ (Bi2212) T. Schweizer, Diss ETH, No10167 (1993)

HgBa2Can-1CunO2n+2 “Hg-12(n-1)n” CuO2-Ebenen Der Weltrekord 133K !!! ETH Zürich - A.Schilling, M.Cantoni, J.D. Guo, H.R.Ott, Nature, 362(1993)226 TC für HgBa2Can-1CunO2n+2 Hg-12(n-1)n

Hochtemperatur-Supraleiter. BSC Theorie? Isotopeneffekt ist sehr klein: YBa2Cu3O6.96 TC0.2K TC~M-  (o 0.02). Für die meisten LTSL =0.5 Für HTSL TC 100K. In der BSC Theorie TC<30K Existiert die HTSL ausschliesslich in Cupratverbindungen?

MgB2 Mg B - Schichten wie im Graphit Entdeckung Januar 2001 TC39K –der höchste Wert für einen nicht oxidischen Supraleiter!

Sm TC=55K April, 2008

USO USO Unidentified Superconducting Object

(Jahn-Teller Deformation): Hochtemperatur-Supraleiter. Jahn-Teller Polaronen? Symmetrisch: Cu1+, Cu3+ Mn4+ Ni2+, Co3+, Cr3+ Nicht symmetrisch (Jahn-Teller Deformation): Cu2+ Mn3+ Ni3+, Co2+, Cr2+

Technische Anforderungen Tc  Kritische Temperatur über 77K Jc  Hoche kritische Stromdichte Bc  Hoche kritische Magnetfeldern $  Einfache Herstellung R  Gute mechanische Eigenschaften   Keine (kleine) Giftigkeit

Korngrenzen C-axis twist boundary tilt boundary „edge-on“ or „head-on“ „railway-switch“ Abhängigkeit des kritischen Stroms vom Missorientierungswinkel in Zwillingskristallen von Y123

HTSL- Giftigkeit HgBa2Ca2Cu3O8 HgBa2CuO4 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 Pb0.5Cd0.5Sr2Y0.5 Ca0.5Cu2O7 Pb2Sr2Y0.5Ca0.5Cu3O8 YBa2Cu3O7 La1.85Sr0.15CuO4 As2O3 CdO LD50- Giftdosis in mg per kg des Körpers, welche tödlich für 50% der Population ist. Ausgerechnet auf Grund der Daten für die Metalloxyden. P.P.Edwards et al., im „High-Tc Superconductivity 1996“, E.Kaldis et al.(eds.), Kluwer 1997

Dünnfilme Für das Abscheiden von Dünnfilmen (< 1 mm) hat sich als technisch wichtigstes Verfahren das IBAD (ion beam assisted deposition) erwiesen. Das Endprodukt ist ein mehrschichtiger Composite YBaCuO- Dünnfilm

Dickfilme Foliengiessverfahren Supraleiter-Folien (aus ethanolhaltigen Schlicker) werden auf einem Substrat (Ag oder MgO) schmelzprozessiert. Zeit Temperatur (1) (2) (3) (4) Ausbrennung der verbliebenen organischen Bestandteile Peritektisches Aufschmelzen (3) Abkühlen (5-10°C/h) wird die supraleitende Phase auskristallisiert (4) Nachglühen in O2 (Sauerstoffstöchiometrie wird eingestellt) Kritische Stromdichte nehmen für Bi-2212 Filme mit der Dicke ab. Der gesamte Strom der durch ein Film fiessen kann (per cm der Breite), nimmt aber zu D. Buhl, Diss ETH No 11850 (1996)

Drähte und Bänder. Die Herstellung Abfüllen in Silberröhrchen und Schweissen Extrusion c ab Extrusion Walzen und Erhitzen bei 800-900oC American Superconductor

Anwendungen. Drähte und Bänder Querschnitte von HTSL Bänder American Superconductor Corporation HTSL Kabel

Drähte und Bänder. Kritische Stromdichte 1990 1994 1996 1998 1992 60 Kritischer Strom [kA/cm2] 40 20 80 Die Entwicklung der Kritischen Stromdichte. Messungen für Bi-2223 Bänder bei 77K. J.Tallon, Physics World, March 2000

Anwendungen. Medizin und Wissenschaft SQUID Superconducting Quantum Interference Device. Höchstempfindliche Sensoren für magnetische Felder. Supraleitender Ring ( < 1 mm) mit zwei Josephsonkontakten. Empfindlich für Felder, die ein Hundertmillionstel des Erdfeldes betragen. Bei niedrigen Temperaturen fliesst im Ring ein supraleitender Strom. Nach der Quantentheorie dürfen sich im Ring nur eine ganzzahlige Anzahl magnetischer Flussquanten befinden. Im Ausgangszustand sind das Feld ausserhalb des Rings und das innerhalb des Rings im Gleichgewicht. Wird das äussere Feld noch grösser, kann ein Flussquant in das SQUID-Loch eindringen und das Gleichgewicht der beiden Felder ist wieder hergestellt. Die Veränderung des Stroms im Ring und damit das Ungleichgewicht zwischen Aussen- und Innenfeld, kann direkt elektrisch gemessen werden.

SQUID sensitivity Single Flux Quantum 0=h/2e2.07·10-15Tm2 Magnetic field of heart: 10-10 T Magnetic field of brain: 10-13 T Magnetic field of earth: 30-6010-6 T

Anwendungen. Medizin und Wissenschaft MRI Magnetic Resonance Imaging Die Atomkerne mit Spin0 (z.B. H in H2O) besitzen magnetische Momente. Die können in grossen Magnetfeldern beobachtet werden . Ein MRI-Bild des menschliches Gelenk gemacht mit: a. Cu-Spulle bei RT b. Ag-Spulle c. Supraleiter bei 77K

Anwendungen. Elektronik Mikrowellenfilter Mikrowellenfilter aus YBa2Cu3O7. Mittenfrequenz 6.2 GHz, relative Bandbreite 8%). Entwurf: Bosch GmbH Herstellung: Forschungszentrum Karlsruhe Mikrochips: SFQL (Single Flux Quantum Logic) Supraleitender Ring mit einem Flussquantum repräsentiert den logischen Zustand 1, ohne 0. Eine Änderung des Zustands gibt ein Spannung Signal (im mV Bereich, 10-12 s) Sehr hohe Schaltungsfrequenz ist möglich. Vom: C.Gough, Phys.Educ. 33(1998)38

SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage Anwendungen. Industrie Magnetische Lager Ein Rotor (a flywheel) in der Vakuumkammer als Energiespeicher, gelagert mit einem magnetischen (HTSL) Lager. MagLev – Züge (magnetic levitation) SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage Es speichert elektrische Energie im Magnetfeld, das von einer supraleitenden Spule produziert wird.

LN2

Resistiver Strombegrenzer Beim Kurzschluss erfolgt ein Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand. Der Strom fliesst durch den Supraleiter. Die volle „Schaltenergie“ wird im Supraleiter in die Wärme umgesetzt.

Induktiver Strombegrenzer Der Eisenkern wird durch einen Supraleiter vom Magnetfeld abgeschirmt. Die Selbstinduktion in der Primärwicklung ist deshalb sehr klein (die Impedanz des Begrenzers ist Null). Beim Kurzschluss, wird das Magnetfeld grösser als BC (kritisches Feld) des Supraleiters. Der Eisenkern wird magnetisiert das wieder entgegengesetzter Strom in der Primärwicklung induziert (die Impedanz steigt 100 000fach). Die Energie wird vom Eisen absorbiert und als Wärme abgegeben.

Induktiver Strombegrenzer II ABB hat zwei Anlagen im Langzeittest: Strombegrenzen im Kraftwerk Löntsch GL (seit 1996) Transformator in Genf Fault current Limited current Normal current

The End