Supraleiter- von der Wissenschaft zur Technologie

Präsentation zum Thema: "Supraleiter- von der Wissenschaft zur Technologie"—  Präsentation transkript:

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

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
Hg 1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C) 1911 Entdeckung der Supraleitung 1913 Nobelpreis

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

6 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

7 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!

8 Beugung am Regenschirm

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

10 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

11 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

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

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

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

15 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

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

17 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

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 CERN 8,6km

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

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

25 "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

26 Die wichtigsten HTSL CuO2-Ebenen tragen die SL
YBCO CuO2-Ebenen tragen die SL YBa2Cu3O (YBCO oder Y-123) 93 K Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K

27 Erweiterte Grenzen

28 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

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

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

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

32 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

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

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
gegründet Vollzeit-Mitarbeiter Produkte YBCO Filme Beschichtungsanlagen Jc-Scanner F&E: Bandbeschichtung Energietechnik-Anwendungen Mikrowellen

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

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

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