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 http://www.wmi.badw.de/FG538

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

Schlüsselexperimente 2. Kritisches Feld T Tc B Bc normalleitend supraleitend

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)

Idealer Leiter

Supraleiter

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

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

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

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

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

Magnetfeldverdrängung Ampèresches Gesetz

Flussquantisierung S S Flussquant B0

Elektronenpaare

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

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

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

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

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

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

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

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

Schwebender Magnet

Kohärente Zustände (Schrödinger 1926)

Poisson Verteilung Dn <n>

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

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

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

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

Cooper-Paare T = 0 EF EF + wD

Cooper-Paare Energieabsenkung Kopplungskonstante

BCS-Wellenfunktion

Paardispersion und Energielücke

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

BCS John Bardeen Leon Cooper Robert Schrieffer

Energielücke bei T = 0

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

Energielücke bei T > 0

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

Josephson-Gleich- und Wechselstrom Iges In I0 Is

Moderne Entwicklungen

Kuprate – "Hochtemperatursupraleiter" YBa2Cu3O7 Tc = 93 K

Anwendungen - Metrologie

Anwendungen - Fehlerstromschalter

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

Josephson-Computer http://pavel.physics.sunysb.edu/RSFQ/

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

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)

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