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Supraleitung,der Walzer der Elektronen
Wolfgang Lang
Fakultät für Physik der Universität WienForschungsgruppe Elektronische Materialeigenschaften
Der elektrische Widerstand
Elektronen werden gestreut:a) an Defektenb) an Gitterschwingungenc) an anderen Elektronen
Temperatur [K]
Wid
erst
and
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00 50
Wie verhält sich derelektrische Widerstandbei sehr tiefen Temperaturen
Supraleitung
Verschwinden des elektrischen Widerstands („Supraleitung“)
Kamerlingh-Onnes (1911)Nobelpreis für Physik 1913
Der elektrische Widerstand verschwindet
Keramischer SupraleiterBi2Sr2Ca2Cu3O8+x
Strom I
3 A
Spannung U
3 0 mV
Elektrischer Widerstand URI
Der elektrische Widerstand verschwindet
Nachweis für den verschwindenden Widerstand im Supraleiter
Bei genügend kleinem Magnetfeld:keine messbare Abnahme nach über 2 Jahren < 10-21 cm
Dauerstromexperiment
Ein Magnet schwebt über einem Supraleiter
PermanentmagnetFlüssiger Stickstoff (-196 °C)
Supraleiter
Diamagnetismus von Supraleitern
Verdrängung des magnetischen FeldesMeissner-Ochsenfeld (1933)
Typ-II Supraleitung
U. Essmann und H. TräublePhysics Letters 24A, 526 (1967)
Temperatur
Mag
netfe
ld
Bc1
Bc2
Phasendiagramm von Typ-II Supraleitern
Normalleitend
Shubnikov Phase
Meissner Phase
Flussquanten
S. Blundell, Physics World (April 2011), p. 26
Abschirmströme können nur Vielfache des Flussquants
einfrieren.
150 2 10
2Wbh
e
Theoretische Vorhersagedurch A. Abrikosov 1957
Nobelpreis für Physik 2003
Experimenteller Nachweis 1961 unabhängig durch:Doll und Näbauer (München)Deaver und Fairbanks (Stanford)
Bardeen-Cooper-Schrieffer (1957)Nobelpreis für Physik 1972
Elektronenpaarbildung:Anziehung infolge retardierter Verformung des Kristallgitters (Austausch von virtuellen Phononen)
Theoretische Erklärung - BCS Theorie
Ausschnitt: Tokyo Shibuya (YouTube)
Ungeordnete Bewegung ...
Ausschnitt: Opernredoute 2013 (YouTube)
Kohärente Bewegung der Paare ...
Ausschnitt: Opernredoute 2013 (YouTube)
Die Kohärenzlänge ...
Cooper-Paare
CNRS
Der Abstand (Kohärenzlänge) der2 Elektronen ist viel größer alsder Atomabstand.
Alle Elektronenpaare bilden einen gemeinsamen, kohärenten, makroskopischen Quantenzustand.
2 Elektronen bilden ein Paar und werden dadurch zum Boson.
Zwischen Elektronenpaaren und einzelnen Elektronen entsteht eine Energielücke.
Historische Entwicklung von TcH2S (H3S)@ 150 GPa
Alex Müller und Georg Bednorz (1986)Nobelpreis für Physik 1987
Systematische Untersuchung vonPerowskiten und verwandtenkeramischen Materialien
La1.85Ba0.15Cu4
Entdeckung der keramischen Supraleiter
Physik-Nobelpreise mit Bezug zur Supraleitung
1913 Kamerlingh-Onnes Materie bei tiefen Temperaturen
1962 Landau Theorie des flüssigen Heliums
1972 Bardeen, Cooper, Schrieffer Theorie der Supraleitung
1973 Esaki, Giaever, Josephson Tunneleffekte in Supraleitern
1978 Kapitza Tieftemperaturphysik
1987 Bednorz, Müller Keramische Supraleiter
1996 Lee, Osheroff, Richardson Suprafluidität in 3He
2001 Cornell, Ketterle, Wieman Bose-Einstein Kondensat
2003 Abrikosov, Ginzburg, Leggett Theorie Supraleiter und -flüssigkeiten
Supraleitende Stromkabel
Long Island Power Authority Teststrecke138 kV, Leistung: 574 MW, Länge: 600 m Nexans
Supraleitender 15 Tesla Forschungsmagnet
Kernspin-resonanztomografie
Supraleitende Magnete
Dipolmagnete im LHC @ CERN1232 Magnete aus NbTi auf 1.9 K gekühlt.13 kA Strom liefert ein Magnetfeld von 8,3 T.
Schwebebahn mit supraleitenden Magneten
Yamanashi Maglev Teststrecke, Japan, 43.8 km
Mit den finanziellen Möglichkeiten einer österreichischen Universität:
Mit dem Budget von Japan Railway:
„JR-Maglev-MLX01-2“ von Yosemite - Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons -https://commons.wikimedia.org/wiki/File:JR-Maglev-MLX01-2.jpg#/media/File:JR-Maglev-MLX01-2.jpg
Diplomarbeit A. Peherstorfer, Universität Wien
Supraleitendes 3,8 GHz Filter
Demonstrationsfilter fürSatellitenkommunikation:hergestellt mit MIBS (masked ion beam direct structuring) von YBCO
3.70 3.75 3.80 3.85 3.90-60
-50
-40
-30
-20
S 21 [
dB]
Frequenz [GHz]
300 K 77 K
Kommerzielles Filter für Mobiltelefon-Basisstationen
Kühlgerät
Steuerungs-elektronik
Dewar mitFiltern undVorverstärkern
SQUID
Strom
magn. Fluß
R. W. Simmonds, Nature 492, 358 (2012)
Magnet
Josephson-Kontakte
Superconducting Quantum Interference Device
Brian D. JosephsonPhysik-Nobelpreis 1973
MIT Paleomagnetismuslabor
Flußquantencomputer
Supraleitender 20 GHz8-bit RSFQ Mikroprozessor(SUNY und TRW, 2002)1.75 μm Nb-Technologie70 000 Josephson Kontakte14 mW Verlustleistung
4 Qubits aus Al auf Saphirsubstrat mitAl–AlOx–Al Josephson junctions. Verschränkte Zustände von 3 Qubitswurden demonstriert.
M. Neeley et al., Nature 467, 570 (2010)
