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Was ist Supraleitung?

kurze Einleitung in die Supraleitung.
by

Tanja Pelzmann

on 3 June 2013

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Transcript of Was ist Supraleitung?

[VO Werkstoffe der Elektrotechnik]
Tanja Pelzmann / SS 2013 Was ist Supraleitung? SL haben unendliche Leitfähigkeit Es gibt 2 Arten SL Bruchteil der Elektronen bildet Cooper-Paare über die WW mit Phonen Supraleitung ist ein thermodynamisch stabiler Zustand Meissner-Ochsenfeld (1933) 1. Art Gefrierpunkt Wasser
(273 K) Stickstoff flüssig
(77 K) Helium flüssig
(4 K) 1908 Quelle: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1913/onnes-bio.html ? R = f(T) Widerstand [Ω] Temperatur [K] "Mercury has passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the SUPERCONDUCTIVE state. " H. Onnes BCS Theorie atomistisches Modell der Supraleitung 2.Art neue Fragen 1) verschwindet R wirklich?
wie groß ist R-Abnahme bei eintreten des SL-Zustandes? QM 2) gilt diese Eigenschaft auch für andere/alle Metalle ? jedes physikalische System besitzt diskrete Zustände Austausch physikalischer Größen = Zustandsänderung Welle-Teilchen-Dualismus Austauschvorgänge Ausbreitung Elektronen (Welle) propagieren in alle Richtungen;
Vorzugsrichtung = Stromrichtung

WW mit Rumpfatomen = Streuung der Wellen nur bestimmte (diskrete) Zustände erlaubt ∃ ∃ ∃ E Streuung am periodischen Gitter Streuung = Umbesetzung der Quantenzustände zusätzliche WW zwischen den Elektronen Die Verdrängung des magnet. Flusses bei T<Tc Gesamtheit der Cooperpaare ist korreliert (Anti-Pauli-Prinzip) Ein Paar kann nicht allein mit dem Kristallgitter ww ohne zuvor wieder in zwei Elektronen (Fermionen) aufgebrochen zu werden : R=0 im SL-Zustand trennt eine Energielücke die SL-Elektronen unterhalb von den normalleitenden Elektronen oberhalb magnetische Induktion B im Inneren = 0 äußeres Magnetfeld dringt nur in eine dünne Randschicht ein --> Eindringtiefe durch ein äußeres Magnetfeld mit kritischer Feldstärke Hc wird der SL-Zustand zerstört und die Probe normalleitend Es existieren 2 kritische Felder: Hc1 < Hc < Hc2 Dazwischen existert ein Mischzustand (mixed state) Ein massiver SL ist ein perfekter Diamagnet Josephson Effekte zeigen besonders gut die starre Phasenkorrelation der Cooper-Paare zeigte dass auch Cooper-Paare durch eine ausreichend dünne Schicht tunneln können Supraleiter 1. und 2. Art -->Phasenübergang Da das innere Feldfrei ist, ist dort auch kein Strom. Strom ist in der Randzone - Eindringtiefe bis zu der B-Feld eindringen kann Ic hängt von Bc ab --> Ic sind theoretisch sehr hoch Problem wird Bc überschritten -> wird SL nicht instantan normalleitend Zwischenzustand mit wachsenden normalleitenden Bereichen wenn das B-Feld an der OF des SL > Hc1 wird erfolgt ein Phasenübergang in die sogenannte Shubnikov-Phase magnetischer Fluss kann in quantisierten Flußschläuchen ins Innere eindringen Lorentzkraft zwischen Belastungsstrom und Flussschlauch führt zu einer Verschiebung desselben

Energie kommt von Belastungsstrom durch Verschieben neue lokale E-Felder --> weitere Energiedissipation Harte SL technisch interessante SL Flussschläuche in der Shubnikov-Phase werden durch "pinning" an energetisch bevorzugte Plätze gebunden
--> neue Magnetisierungskurven nur spezielle Metalle ? Debye-T...T bei der alle möglichen Zustände gerade besetzt sind Debye-T ist materialabhängig
keine Korrelation zwischen Tc und anderen charakteristischen Eigenschaften
starke Abhängigkeit von der Kristallstruktur (Modifikationen)
Matthias-Regel
es lässt sich grundsätzlich nicht widerlegen, dass alle Metalle in genügend reiner Form bei ausreichend tiefen T supraleitend werden da Debye-T < RT und g<<1 muss Tc klein sein
falls noch andere WW außer Phonon-Elektron sind vielleicht auch höhere Tc Werte möglich... Reinelemente intermetallische Verbindungen Keramiken klassische Oxidsupraleiter ohne Kupfer
Schichtcuprate LnO_x-Schichten
Schichtcuprate mit BiO_x, TbO_x, TlO_x und HgO_x-Schichten Valenzfluktuationen zwischen Cu-Ionen WW zwischen Löchern an O und Cu Kopplung mit magnetischen Momenten der dotierten antiferromagnet. CuO2 Schicht Ausblick Vorhersage der Sprungtemperatur
Theoretische Beschreibung der Kupferoxyd-Verbindungen 1. R=0
2. B_in = 0
3. Feldverdrängung beim Abkühlen
4. makroskopischer Quantenzstand "Mercury has passed into a new state, which on account of its extraordinary electrical properties may be called the SUPERCONDUCTIVE state. " H. Onnes
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