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

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

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

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

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

Wie funktioniert Supraleitung? die klassische Physik versagt! Erklärung nur durch Quantenmechanik Supraleitung ist die Spielwiese der QM SL QM spez. Wärme der NL Elektronen nicht Dulong-Petit Energiebänder Fermistatistik

Schnellkurs in Quantenmechanik Huygens 1691: Licht-Wellen Newton 1704: Licht-Teilchen Planck 1900: Licht-Quanten E = hν Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen ! dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten spez. Wärme der NL Elektronen nicht Dulong-Petit Energiebänder Fermistatistik Kreis? Quadrat? Zylinder!

Beugung am Regenschirm

Beugungs-Experimente mit Quanten Schirm Doppelspalt Quelle wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen spez. Wärme der NL Elektronen nicht Dulong-Petit Energiebänder Fermistatistik

Elektronen im Supraleiter Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren "Cooperpaare" alle Paare zusammen bilden klassische Welle: " Makroskopischer Quantenzustand " spez. Wärme der NL Elektronen nicht Dulong-Petit Energiebänder Fermistatistik

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

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

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

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

BCS-Theorie J. Bardeen L. N. Cooper R. Schrieffer Paare sind miteinander "verzahnt"  wegen Pauliprinzip Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt" Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom ! Demonstration dazu

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

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

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

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

der erste technische Durchbruch "Stabilisierung" bringt technische Reife NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen Vieldraht-Leiter 14 000 Einzeldrähte NbTi in CuNi-Hülle 20x

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

CERN 8,6km

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

NMR-Spektroskopie Kernspin-Resonanz bei 900 MHz/21Tesla für chemische Analyse mit Nb3Sn-Spule für höchste Magnetfelder NMR-Spektrum

"Hochtemperatur"-Supraleiter 1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4 A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987 W. Bednorz A. Müller Nobelpreis Ende 1987 1987 Supraleiter mit Tc > 90 K

Die wichtigsten HTSL CuO2-Ebenen tragen die SL YBCO CuO2-Ebenen tragen die SL YBa2Cu3O7 (YBCO oder Y-123) 93 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K

Erweiterte Grenzen

Herstellung von BSCCO-Leitern Pulver-Herstellung Bolzen versiegeln Draht ziehen Teil 1: Rohling herstellen neu bündeln neu ziehen flach walzen Wärmebehandlung Teil 2: Metallurgie billet² s. 1. Holzscheit n, -klotz m; 2. Metallurgie Knüppel m precursor s. 1. Vorläufer(in), Vorbote m, -botin f; 2. (Amts)Vorgänger(in) REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

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

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

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

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

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

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

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

THErmal EVAporation = THEVA GmbH gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter Produkte YBCO Filme Beschichtungsanlagen Jc-Scanner F&E: Bandbeschichtung Energietechnik-Anwendungen Mikrowellen www.theva.com

Neuere Entwicklung: MgB2 Magnesium Bor Magnesium-Diborid Tc=39K Tribromo-Methan = Bromoform wird ins C60-Gitter eingelagert (interkaliert) einfache Verbindung Standard-Chemikalie "Matratze"

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