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 Supraleiter Magnete

Mit Kamerlingh Onnes fing alles an

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

SL

Schnellkurs in Quantenmechanik

 Huygens 1691:  Newton 1704: Licht-Wellen Licht-Teilchen  Planck 1900: Licht-Quanten E = hν  Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen !

dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten Quadrat?

Kreis?

Zylinder!

Beugung am Regenschirm

Beugungs-Experimente mit Quanten

Quelle Doppelspalt Schirm wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen

Elektronen im Supraleiter

 Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren "Cooperpaare"  alle Paare zusammen bilden klassische Welle: " Makroskopischer Quantenzustand "

Wellen auf dem Ring n=1 n=2 n=3

 Wellenlänge muss auf den Umfang passen: n  Wellenlänge  Impuls  Strom  Magnetfluss

usw...

 d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ 0 n  0

Flussquantisierung: Experiment

Doll und Näbauer München 1961 äußeres Magnetfeld   0 h 2 e  15 erster Beweis für Paare!

2

Josephson-Effekt

 2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren Strom Engstellen  B Magnetfeld B (10 -5 T)  S uperconducting QU antum I nterference D evice, SQUID  empfindlichstes Messinstrument überhaupt

Die Paar-Anziehungskraft

 "gleichnamige Ladungen stoßen sich ab" - gilt nicht im Festkörper!

"Matratzenbild":  klassische SL:  HTSL: Gitterdeformation 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

der erste technische Durchbruch

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

Beschleuniger-Magnete

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

CERN

Magnetresonanz-Tomographie

IGC  MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten

NMR-Spektroskopie

Kernspin-Resonanz bei 900 MHz/21Tesla für chemische Analyse mit Nb 3 Sn-Spule für höchste Magnetfelder NMR-Spektrum

"Hochtemperatur"-Supraleiter

 1986 erster HTSL (LaBa) 2 CuO 4

A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987

W. Bednorz A. Müller

Nobelpreis Ende 1987

 1987 Supraleiter mit T c > 90 K

Die wichtigsten HTSL

CuO2-Ebenen tragen die SL  YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO oder Y-123)  Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (BSCCO oder Bi-2223) 93 K 110K  Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K  HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K YBCO

Erweiterte Grenzen

Herstellung von BSCCO-Leitern

Teil 1: Rohling herstellen

Part 2:

Metallurgie

REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

BSCCO-Leiter

Leiter-Vergleich mit Kupfer Kabel aus 170 Leitern

REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM

Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht

Umspannwerk Detroit-Frisbee (Pirelli + American Superconductor) 3-adriges SL Kabel 360 m lang

MRT-Spule aus BSCCO-Draht

offenes System für seitlichen Zugang (Operationen) (Siemens +Oxford Instruments)

O 2

YBCO Dünnschichten

"Garching-Verfahren" Heizer 700°C Sauerstoff rotierendes Substrat Vakuum Yttrium Barium Kupfer Verdampfer 230 mm  kostengünstig durch Vielfach-Prozess  hohe Qualität und Reproduzierbarkeit

Filter aus YBCO-Dünnschichten

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

Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten

schnelle Absicherung in der Energietechnik erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen (Siemens +THEVA +TU München)

Wirkungsweise von Strombegrenzern

700 500 300 100 -100 -300 -500 -700 0 5 10 15 20 25 30 Zeit [ms]

Zeit (ms)

35 40 45 800 600 400 200 0 -200 -400 -600 50 -800

THE

rmal

EVA

poration

= THEVA GmbH gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter Produkte



YBCO Filme



Beschichtungsanlagen



J c -Scanner F&E:



Bandbeschichtung

www.theva.com



Energietechnik-Anwendungen

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Mikrowellen

Neuere Entwicklung: MgB 2

Magnesium Bor Magnesium-Diborid T c =39K  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