Nadprzewodnictwo
description
Transcript of Nadprzewodnictwo
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.