Nadprzewodnictwo

Marek Gieniec IS2R2

Plan prezentacjiHistoria

Materiały nadprzewodzące

Własności nadprzewodników

Teoria nadprzewodnictwa

Zastosowania

Perspektywy rozwoju

Historia

1911 rok – Heike Kamerlingh Onnes podczas badań rezystancji rtęci w ciekłym helu (4,2 K) odkrył nadprzewodnictwo. Nagroda nobla 1913 r.

Opór R=0 poniżej TC; (R<10-23 cm, 1018-razy mniejsze niż dla Cu)

• 1930 zbadano temperaturę krytyczną Niobu - 9,2 K. • 1933 Walther Meissner i Robert Ochsenfeld – odkrywają zjawisko

usuwania z wnętrza nadprzewodników pola magnetycznego• 1935 – bracia Fritz i Heinz Londonowie stworzyli w celu

wytłumaczenia efektu Meissnera- Oschenfelda model Londonów• 1950 – Vitalij Ginzburg i Lew Landau zaproponowali

fenomenologiczną teorię nadprzewodnictwa• 1957 – Leon Cooper i Robert Schriefer zaproponowali pełną teorię

nadprzewodnictwa – teorię BCS• 1962 – Brian Josephson przewidział zjawiska kwantowe zachodzące

w złączach Josephsona• 1973 – Niskotemperaturowy nadprzewodnik o najwyższej

temperaturze krytycznej 23,2K dla Nb3Ge• 1986 – Pierwszy wysokotemperaturowy nadprzewodnik (LaBa)2

CuO4 TC=35K• 1987 (Styczeń): YBa2Cu3O7-x TC=93K

• 1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O TC=133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich)

Temperatury krytyczne niektórych pierwiastków

Al (Glin) Tc(K) = 1,2In (Ind) Tc(K) = 3,4Sn (Cyna) Tc(K) = 3,7Hg (Rtęć) Tc(K) = 4,2Ta (Tantal) Tc(K) = 4,5V (Wanad) Tc(K) = 5,4Pb (Ołów) Tc(K) = 7,2Nb (Niob) Tc(K) = 9,3

Li Be0.026

B C N O F Ne

Na Mg Al1.1410

Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti0.3910

V5.38142

Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn0.875

5.3

Ga1.091

5.1

Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr0.546

4.7

Nb9.5198

Mo0.929.5

Tc7.77141

Ru0.51

7

Rh0.03

5

Pd Ag Cd0.56

3

In3.4

29.3

Sn3.7230

Sb Te I Xe

Cs Ba La6.0110

Hf0.12

Ta4.483

83

W0.012

0.1

Re1.420

Os0.65516.5

Ir0.141.9

Pt Au Hg4.153

41

Tl2.3917

Pb7.1980

Bi Po At Rn

Nb(Niob)

Tc=9,5KHc=0.2T

Fe(Żelazo)Tc=1K

(@ 20GPa)

Pierwiastki nadprzewodzące

Temperatury krytyczne nadprzewodzących związków niskotemperaturowych

V3Si Tc(K) = 15,7Nb3Al Tc(K) = 16Nb3Sn Tc(K) = 18,3Nb3Ge Tc(K) = 23,2

Wysokotemperaturowych

(La2-xSrx)CuO4 Tc(K) = 36YBa2CuO7-x Tc(K) = 91HgBa2CuO4 Tc(K) = 94

Tl2Ba2CaCu2O8 Tc(K) = 80Bi2Sr3Ca2Cu3O10 Tc(K) = 125HgBa2Ca2Cu3O8 Tc(K) = 135

Inne nadprzewodnikiFizycy poszukiwali nadprzewodników, także wśród

niskowymiarowych związków organicznych.Nadprzewodnik Tc(K)(TMTSF)2ClO4 1,4

(BEDT-TTF)2I3 8,1(BEDT-TTF)2Cu(SCN)2 10,4

TMTSF – tetrametylotetraselenofulwalen

BEDT-TTF - tetratiometylotetratiofulwalen

Inne nadprzewodnikiOdkryto również nadprzewodnictwo w materiałach opartych na bazie sześćdziesięcioatomowych cząstek węgla C60 fulerenów domieszkowanych z metalami alkalicznymi.

nadprzewodnik Tc(K)

K3C60 20Rb2KC60 25Rb3C60 29

Rb2CsC60 31

Fazy Chevrelachalkogenki molibdenu o wzorzeogólnym MxMoX6, gdzie M jest pierwiastkiem ziem rzadkich, a X jestpierwiastkiem chalkogenicznym.

Bardzo wysokie wartości krytyczne pól, ale bardzo krucha budowa i rzadkość występowania pierwiastków.

Nb3Ge

YBa2CuO7-xnajlepiejj poznany nadprzewodnik

wysokotemperaturowy• Gęstość: g=6,388 g/cm3.

• Stałe sieci: a=0,38929 nm, b=0,38213 nm, c=1,169 nm.

• Podobnie jak we wszystkich nadprzewodnikach wysokotemperaturowych struktura warstwowa.

• Dla x od 0,5 do 0 struktura rombowa tylko ta faza jest nadprzewodząca!!!

Przepis na nadprzewodnik• Weź Y2O3 (tlenek Itru) BaCO3(węglan baru) i CuO masę w

proporcji ½ mola Y2O3, 2 mole BaCO3, 3 mole CuO.• Trzy wymienione składniki należy rozgnieść i wymieszać w

moździerzu.• Mieszaninę wsypać do tygielka, przykryć i ogrzewać 10-12

godzin w temperaturze 950 C.• Powstała substancja powinna mieć czarny kolor. Po

ochłodzeniu materiał ponownie rozdrobić i prasować w pastylki w temperaturze 900-950 C w ciągu 12-16 godzin pod ciśnieniem 150 Mpa. A następnie wolno ochładza w atmosferze tlenowej.

• Ochładzanie powinno się odbywać z prędkością 100C/h.

„Wypychanie pola magnetycznego”Drugą cechą charakteryzująca nadprzewodniki jest zdolność

do wypychania pola magnetycznego ze swojego wnętrza.Mówimy, że nadprzewodnik jest idealnym Diamagnetykiem (Efekt

Meissnera) umieszczony w polu magnetycznym wytwarza w swoim wnętrzu pole przeciwne do pola zewnętrznego.

Stan normaly Stan nadprzewodzącyIdealny diamagnetyzm(efekt Meissnera)

Prąd ekranujący naPowierzchni kuli

wytwarzaprzeciwne pole magnetyczne

A tak to działa w praktyce

Podział nadprzewodnikówI rodzaju

• Stosunkowo niskie temperatury krytyczne;

• Związki pierwiastków nadprzewodzących;

• Jedna określona wartość krytyczna Hc.

II rodzaju• Wyższe temperatury

krytyczne;• Problemy z innymi

właściwościami;• Dwie wartości krytyczne

Hc1 i Hc2

Ruch wirów w nadprzewodnikach II rodzaju

Substancja dalej nadprzewodząca poza nitkami wewnątrz wirów, przez które przechodzi pole magnetyczne.

Wiry oddziałują z zewnętrznym polem, działa na nie siła Lorenza powodująca ich ruch. FL=J X BZjawisko to jest bardzo szkodliwe w praktycznych zastosowaniach, gdyż zmniejsza gęstość prądu krytycznego.

Przewodnictwo

• W temperaturze T = 0 K maksymalną energię elektronu wewnątrz metalu nazywamy energią Fermiego

ħ – stała Plancka h, dzielona przez 2πm – masa elektronów

•Sieć dodatnich jonów wypełnia gaz elektronowy;•Jeśli na układ będziemy oddziaływać, zewnętrznym polem elektrycznym, to popłynie prąd;•Temperaturowa zależność przewodnictwa:

ρ=ρi+ρk(T)

Teoria nadprzewodnictwa•Nośniki prądu – Pary

elektronów (pary Coopera);Pary Coopera, to Bozony. W przeciwieństwie do Fermionów, nie obowiązuje zakaz Pauliego.

KONDENSACJA BOSEGO-EINSTEINA

Prawdopodobieństwo, że do grupy cząstek w pewnym stanie dojdą kolejne, jest tym większe im więcej cząstek już w tym stanie przebywa.

Jak powstają pary Coopera?Elektron przybliża jon dodatni tworząc fonon. Naładowany dodatnio region przyciąga elektron. Częstotliwość fononu jest bardzo duża. Siła odpychania między elektronami jest nie odczuwalna!

dlaczego pary Coopera nadprzewodzą?Sumaryczny spin i pęd p-c jest równy 0, co odpowiada fali o nieskończonej

długości, a ta może się załamywać jedynie na obiektach podobnej wielkości do długości fali. Ponadto Istnienie w parze 2 elektronów z energetycznego punktu

widzenia jest korzystniejsze od niezależnego trwania!

DLATEGOPomimo zderzeń np. z defektami sieci pary

Coopera, w przeciwieństwie do pojedynczych elektronów nie są rozpraszane !!!

Wyjaśnienie efektu Meissnera-Ochsenfelda

E = ρ⋅J | ρ = 0 => E=0.Z równania Maxwella:

Stąd: B = const

Równania Londonów• Bracia Londonowie pierwsi opisali zanik oporu.

2 s se

s

mt n tq

E JJ

I równanie Londonów

/ t E B 2 0es

s

mt n q

J B

12e

ss

mn q

J B B

Skąd

W nadprzewodnikach B=m0H2

0 ss

e

n qm

J H

II równanie Londonów

2 20

gdzi1 e e

LLs

s

mn q

J H - Londonowska głębokość wnikania pola H

Pole krytyczne i prąd krytyczny

Hc(T)=Hc(0)(1-(T/Tc)^2)

Podział Zastosowań

• Elektronika bardzosłabych sygnałów

•Silnoprądowe

ZASTOSOWANIA

Kable nadprzewodzące

Nadprzewodzące elektromagnesy

Lewitacja

Własności nadprzewodników

• Nadprzewodnictwo jest zarówno własnością elektryczną i magnetyczną ciała stałego.

• Podstawowe własności:– Zanik oporu elektrycznego;– Spadek podatności magnetycznej;– Wystąpienie absorpcji mikrofalowej;

0=h/2e=2*10-15Wb

S=1mm2B=2*10-9T

=n0

Złącza Josephsona

Połączenie dwóch nadprzewodników izolatorem

I=I1 sin φ – Natężenie prądu tunelującego przez złącze Josephsona.

Złącza Josephsona mają zastosowania przy wykrywaniu bardzo małychpól magnetycznych (SQUID – magnetografia) a także w przełączaniuukładu. Są około 1000 razy szybsze niż układy krzemowe.

SQUIDSQUID (Superconducting Quantum Interference Device) jesturządzeniem pozwalającym wykrywać najmniejsze zmiany polamagnetycznego.

SQUID zbudowany jest znadprzewodzącej pętli wktórej znajdują się dwa złączaJosephsona. Złącze to potrafiwykryć minimalne zmianypola magnetycznego iwytwarza ono dodatkowenatężenie. Jego analiza możepomóc w zanalizowaniu polamagnetycznego

-1

V

-2 21

/Czułość 10V/0

SQUID - ZastosowanieSQUID-y są bardzo często stosowane w medycynie, zwłaszcza wmagnetografii i magnetokardiografi. Pozwala on na poznanie zasadydziałania serce, oraz co ciekawsze naszego mózgu (SQUID pozwalazaobserwować zjawiska dziejące się w mózgu a nie jego budowę).Badania te są nieocenione we współczesnej medycynie.

Inne zastosowania:

• Nadprzewodzące komputery kwantowe;

• Meteorologia (SQUID);

• DC-SQUID;

• Transformatory strumienia magnetycznego;

• Supertrony;

• Łożyska nadprzewodzące;

• Technika obliczeniowa;

• Mikrofalowe rezonatory;

Nowinki• Pierwszy tranzystor cieplny (Heat transistor);

• 175 K – Nowy rekord temperatury krytycznej, dla Sn1.4In0.6Ba4Tm5Cu7O20+ ;

• NASA otrzymała 400 mln USD na nowe nadprzewodzące komponenty komputerowe, nadprzewodzący procesor ma działać 1000 razy szybciej;

Bibliografia

• Michel Cyrot, Davor Pavuna - Wstęp do Nadprzewodnictwa, PWN 1996 Warszawa

• Jan Stankowski, Borysław Czyżak – Nadprzewodnictwo, WNT 1999 Warszawa

• Stefan Janiczek – Podstawy Krioelektrotechniki, Politechnika Częstochowska 1993 Częstochowa.