Mai 2009 Supraleitung mündliche Präsentationstechniken Universität Bremen 1 Vortrag von Alexander Erlich B

Mai 2009Supraleitung mündliche Präsentationstechniken

1 Universität Bremenhttp://www.ac2.uni-bayreuth.de/teaching/hs/

Vortrag von Alexander Erlich

B. Sc. Physik, 4. Semester

[email protected]

SupraleitungSupraleitung

Betreuer: Dr. Thomas Schmidt

http://www.ac2.uni-bayreuth.de/teaching/hs/


2 Universität Bremen

Ein erstaunliches Phänomen

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/Magnetschwebebahn%201.mpg




Ein erstaunliches Phänomen





Einleitung

Riesiges Themengebiet: 5 Nobelpreise

Supraleitung: Verschwinden des elektrischen Widerstandes bei tiefen Temperaturen

Schrieffer/Bardeen/Cooper (1972)Josephson (1973)

Müller/Bednorz (1987)

Ginzburg/Aprikosov/Leggett (2003)

Onnes (1913)



Inhalt

Die Entdeckung der Supraleitung

Meißner-Ochsenfeld-Effekt

BCS-Theorie

Josephson-Effekt

Hochtemperatur-Supraleitung

Anwedungen der Supraleitung

ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. Viley-VCH, 2003,

S.770



Die Entdeckung des Phänomensder Supraleitung

1908: Heike Kamerlingh Onnes gelingt die Verflüssigung von Helium

1911: Onnes entdeckt mit seinen zwei Mitarbeitern sprungartigen Widerstandsverlust

1913: Onnes bekommt Physik-Nobelpreis

Onnes' Originalmessung. Kittel [2], S. 361

T [K]

R [Ω]



Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926)

Links: http://www.kb.nl/hkc/nobel/onnes/onnes-boerhaave.jpg Mitte: http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/explosion/KOlab.jpgRechts: http://www.science.uva.nl/research/itf/images/vdwaals_large.jpg

http://www.kb.nl/hkc/nobel/onnes/onnes-boerhaave.jpg

http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/explosion/KOlab.jpg

http://www.science.uva.nl/research/itf/images/vdwaals_large.jpg




Entdeckung 1933 durch Walther Meißners und Robert Ochsenfelds

Supraleiter verdrängen äußeres Magnetfeld

Kittel [2], S. 362 (oben) Foto: C. Windzio, Physikalisches Praktikum der Uni Bremen (unten)

E=ϱ s⋅ j (O hm'sches G esetz)

rot E=−∂ B∂ t

(2. Maxwell-Gl.)

B außen ≠ 0

Supraleiter ≠ Leiter mit ϱ s= 0

normalleitender Zustand

supraleitender Zustand



Magnetische Levitation

Technorama Winterhur (Schweiz), YBCO

http://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9Fner-Ochsenfeld-Effekt





Inhalt



BCS-Theorie

Josephson-Effekt




S.770



BCS-Theorie (John Bardeen, Leon Cooper, J. Robert Schrieffer, veröffentlicht 1957)

Elektronen bilden Cooper-Paare

Cooper-Paare: Bewegung ohne Streuung

Brown'sche Bewegung kann Cooper-Paare trennen

Gitterschwingungen wandern als Phononenbearbeitet nach: John R. Kirtley et al.: “Probing Hight-Temperature

Superconductivity”,Scientific American, August1996, S. 73

klassisch BCS



Veranschaulichungen der Elektron-Phonon-Wechselwirkung

Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung. Wiley-VCH, 2004, S 117/118. Foto: http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg

John Bardeen (1908-1991)

1972: Nobelpreis für BCS-Theorie

1956: Nobelpreis für Transistor

http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg



Inhalt



BCS-Theorie

Josephson-Effekt




S.770



Josephson-Effekt

U außen = 0 ⇒ I Tunnel= 0

Metall im supraleitenden Zustand

Isolierende Nanoschicht

Tunnel-Strom

U außenU außen

ITunnel

U außen~ 0 ⇒ I Tunnel

= 0

U außen= 0 ⇒ I Tunnel

~ 0

U=h

2⋅e⋅ f

Bearbeitet nach: Buckel/Kleiner: Supraleitung. Wiley-VCH, 2004, S 136

I außen

U außen= bzw. ~⇔ I Tunnel

~ bzw. =



Inhalt



BCS-Theorie

Josephson-Effekt




S.770



Supraleiter im Lauf der Jahrzehnte

Flüssiges Helium

Flüssiger Stick-stoff

Onnes (1911)Onnes (1911) Müller/Bednorz (1986)Müller/Bednorz (1986)

heutiger Rekord ( 138K )heutiger Rekord ( 138K )

bearbeitet nach: Paul C. Canfield, Sergey L. Bud'ko: “Heiße Aussichten für Tieftemperatur Supraleiter”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Juni 2005, S. 60



Inhalt



BCS-Theorie

Josephson-Effekt




S.770



Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele

Medizin: Kernspintomographie

http://www.vincenz.de/HP/radio_kernspin.jpg Ludwig Schultz et al. (Hg.): “Die Welt hinter den Dingen”. Viley-VCH, 2005, S. 42

http://www.vincenz.de/HP/radio_kernspin.jpg





Hochenergie-Physik: Teilchenbeschleuniger

http://theobservereffect.files.wordpress.com/2009/03/lhc_hall_1.jpg

Large Hadron Collider, Halle 1

http://theobservereffect.files.wordpress.com/2009/03/lhc_hall_1.jpg





Hochenergie-Physik: Teilchenbeschleuniger

Messtechnik: Pico-Voltmeter, Pico-Teslameter

David J. Bishop et al.: “Resistance in High-Temperature Superconductors”, S. 54

Squid-Pico-Voltmeter




Forschung: Kernfusionsreaktor

Modell eines Kernfusions-Reaktors („ITER FEAT“)

Geoff Brumfiel: “Just around the corner”, Nature Vol 434, S. 319





Leiter-Werkstoffe: Supraleitendes Kabel

supraleitendes Kabel

A.Malozemoff, J.Mannhart, D.Scalapino, Hochtemperatursupraleiter in der Technik, Physik in unserer Zeit, Nr. 37 (2006), 162‐169






Industrie/Technik:Reibungsfreie Lager / Gelenke

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/Supraleitender%20Lift%201.mpg

supraleitend berührungsfrei gelagerter Lift









Transportwesen: Magnetschwebebahn

Fastest Train in the World: 581km/h, http://www.youtube.com/watch?v=IPduAYKk_6I

Supraleitender Magnetschwebezug Maglev MLX 01

http://www.youtube.com/watch?v=IPduAYKk_6I







Transportwesen: Magnetschwebebahn

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/supratrans2.wmv

SupraTrans: Supraleiter im Trag- und Führsystem

http://www.ifw-dresden.de/offers/downloads/videos/supratrans2.wmv



Zusammenfassung

„Die Theorie der Hochtemperatur-Supraleitung ist noch völlig im Fluß [und ist ein] faszinierender aktueller Forschungsgegenstand.“

Prof. Dr. Gerd Czycholl in „Theoretische Festkörperphysik“, S. 348

BCS-TheorieElektronen verformen Gitter

Bilden dadurch Cooper-Paare

Josephson-Effekt U außen

= bzw. ~⇔ I Tunnel~ bzw. =

Anwendungen: viele Bereiche

Meißner-Ochsenfeld-EffektMagnetfeld-Verdrängung

Supraleiter klassischer Leiter mit

≠ϱ s=0



Quellenverzeichnis - Bücher

Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung – Grundlagen und Anwendungen. Wiley-VCH, 2004

Charles Kittel: “Einführung in die Festkörperphysik”. Oldenbourg Verlag 1999

Jay Orear: “Physik. Band 2”, Carl Hanser Verlag, 1991

Friedhelm Noack: “Einführung in die elektrische Energietechnik”. Carl Hanser Verlag, 2003

Franz Moeller, Heinrich Frohe, et al.: “Moeller – Grundlagen der Elektrotechnik”. Vieweg+Teubner Verlag, 2008

Wilhelm Raith (Hg.): “Bergmann/Schäfer Band 6 – Festkörper”, de Gruyter 1992



Quellenverzeichnis - Bücher

Halliday/Resnick/Walker: “Physik”. Viley-VCH, 2003, S.770

C. Thomsen, H.-E. Gumlich: “Ein Jahr für die Physik – Newton, Feynman und andere”. Wissenschaft und Technik Verlag Dr. Jürgen Groß, 1995

Tony Hey, Patrick Walters: Das Quantenuniversum. Spetrum Akademischer Verlag, 1998

Bernd Müller: “Neun mal Klüger – Die größten Entdeckungen. Die wichtigsten physikalischen Meilensteine der letzten 25 Jahre”, Bild der Wissenschaft, November 2008, S. 63

Präsentationstechnik vonGABAL Verlag GmbH, ISBN: 389749471X

Ludwig Schultz, Hermann-Friedrich Wagner (Hg.): “Die Welt hinter den Dingen”. Viley-VCH, 2005



Quellenverzeichnis - Zeitschriften

Georg Wolschin: “Bose-Einstein-Kondensat tunntelt à la Josephson”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/1999, S. 24

David J. Bishop, Peter L. Gammel, David A. Huse: “Magnetisches Verhalten von Hochtemperatur-Supraleitern”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 4/1993, Seite 46

Steven Kivelsen, Dung-Hai Lee, Shou-Cheng Zhang: “Quanten-Hall-Effekt und Supraleitung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/1996, Seite 52

John R. Kirtley, Chang C. Tsuei: “Probing Hight-Temperature Superconductivity”,Scientific American, August 1996, S. 68-73

John R. Kirtley, Chang C. Tsuei: “Ein Quantenmodell der Hochtemperatur-Supraleitung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 10/1996, S. 86




Rudolf de Bruyn Ouboter: “Heike Kamerlingh Onnes's Discovery of Superconductivity”, Scientific American, Ausgabe März 1997, S. 98-103

Bernhard Gerl: “Eiskalter Schiffsantrieb”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 11/2004, S. 42

Michael Pekeler, Peter Schmüser: “Supraleitung für Teilchenbeschleuniger”, Physik Journal, Ausgabe 5/2006, S. 45-51

Emanuela Buyer: “Magnetisch angezogene Paare”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Februar 2007, S. 14-15

Alexei A. Abrikosov: “Die Entdeckung der Typ-II-Supraleitung”, Physikalische Blätter 57 (2001) Nr. 1




Hans Henning-Klauss, Bernd Büchner: “Neuer Goldrausch in der Supraleitung”, Physik Journal, Ausgabe 7/2008, S. 18-19.

Paul C. Canfield, Sergey L. Bud'ko: “Heiße Aussichten für Tieftemperatur-Supraleiter”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Juni 2005

Paul C. W. Chu: “High-Temperature Superconductors”, Scientific American, Ausgabe September 1995, S. 162-165

Anonym: “Sprungtemperatur macht großen Sprung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 3/2001, S. 26

Helmut Eschrig, Jörg Fink, Ludwig Schultz: “15 Jahre Hochtemperatur-Supraleitung”, Physik Journal, Ausgabe 1/2002, S. 45-51



Quellenverzeichnis - Zeitschriften Helmut Eckhardt, Hans-Jürgen Kalz: “Optimieren von Hochtemperatur-

Supraleitern für den praktischen Einsatz”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 11/1993, S. 94

Stefan Maier: “Erstes supraflüssiges Gas erzeugt?”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 4/2003, S. 12

Alexander Pawlak: “Nobelpreise – Supraleiter und Supraflüsigkeiten”, Physik Journal, 2 (2003) Nr. 11, S. 6

Steven Kivelsen, Dung-Hai Lee, Shou-Cheng Zhang: “Electrons in Flatland”, Scientific American, Ausgabe März 1996, S. 86-91

David J. Bishop, Peter L. Gammel, David A. Huse: “Resistance in High-Temperature Superconductors”, Scientific American, Februar 1993, S. 48-55

Geoff Brumfiel: “Just around the corner”, Nature Vol 434, 21. Juli 2005


33 Universität Bremenhttp://www.ac2.uni-bayreuth.de/teaching/hs/

Vortrag von Alexander Erlich

B. Sc. Physik, 4. Semester

[email protected]

Zusätzliche FolienZusätzliche Folien

Betreuer: Dr. Thomas Schmidt

http://www.ac2.uni-bayreuth.de/teaching/hs/



Typ I Typ II

Meißner-O.-Effekt tritt vollständig auf

idealer Diamagnet

v.a. sehr reine metallische Elemente

zwei kritische Magnetfelder Bc1, Bc2

Für Bc1<B<Bc2 teilweiser M.-O.-Effekt

Legierungen, KeramikenBeide Bilder aus Tipler: Modern Physics, S.

486

Arten von Supraleitern



Meißner-O.-Effekt tritt vollständig auf

idealer Diamagnet

v.a. sehr reine metallische Elemente

zwei kritische Magnetfelder Bc1, Bc2

Für Bc1<B<Bc2 teilweiser M.-O.-Effekt

Legierungen, KeramikenBilder aus Tipler: Modern Physics, S. 484/486

Typ I Typ IIArten von Supraleitern



Fluß-Quantisierung beim Typ II Betrachtet: Supraleiter 2. Art mit

unvollständiger Meißner-Effekt: teils normalleitend, teils supraleitend

B c1BB c2

Magnetisches PhasendiagrammMeissner-Effekt: betrachteter Bereich

Tipler: Modern Physics, S. 484/486 (links)David J. Bishop et al.: “Resistance in High-Temperature Superconductors”, S. 52



Fluß-Quantisierung beim Typ II

Anordnung der magnetischen Flußröhren in „Dreiecksform“ Flußröhren durchdringen

supraleitenden Bereich (blau)

Normalleitender Bereich: Flußröhren

Jede trägt den gequantelten Fluß

m=n⋅h2⋅e

=n⋅2,0678⋅10−15Tm 2

für n=1,2, 3, ...

David J. Bishop et al.: “Resistance in High-Temperature Superconductors”, S. 50/51



Sprungtemperaturen

Typ I: v.a. sehr reine metallische Elemente

Typ II: nicht elementar – meistens LegierungenTabelle: Tipler [4], S. 594

PSE: Ibach/Lüth,Festkörperphysik,Springer, Berlin



John Bardeen (1908-1911)

1962: Nobelpreis für BCS-Theorie

zusammen mit Leon Cooper und J. Robert Schrieffer

1956: Nobelpreis für Transistor

zusammen mit William B. Shockley und Walter Brattain

Bardeen: http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg Transistor: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/

Nachbau_des_ersten_Transistors.jpg

http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/62/




1987: Physik-Nobelpreis für Bednorz und Müller

ihre Entdeckung:

Heutiger Rekord:

flüssiger Stickstoff ersetzt Helium als Kühlmittel

BCS-Theorie keine ausreichende Erklärung

T c LaBaCuO=30K

T c TlBaCuO =125K

Tabelle: Tipler [4], S. 604Czycholl: http://www-solidstate.physik.uni-bremen.de/czycholl/gerd1100.jpg

http://www-solidstate.physik.uni-bremen.de/czycholl/gerd1100.jpg



Josephson-Kontakte

Brian Josephson machte drei wichtige Entdeckungen:

1) Josephson-Kontakt: Cooper-Paare können ohne Widerstand tunnelnGleichstrom fließt mit

2) Wechselstrom-Josephson-Effekt: Wird U an J.-Kontakt angelegt, fließt Wechselstrom mit

3) SQUID: Superconducting Quatum Interference Device

f = 2eUh

I= I maxsin 2−1



SQUID: Superconducting Quatum Interference Device

Supraleitender Ring: Zwei Josephson-Kontakte

Konstantes B-Feld auf den Ring -->Interferenz

Ermöglicht Messung von Magnetfeldern

10−14T

Documents

Mai 2009 Supraleitung mündliche Präsentationstechniken Universität Bremen 1 Vortrag von Alexander Erlich B