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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
1 Universität Bremenhttp://www.ac2.unibayreuth.de/teaching/hs/
Vortrag von Alexander Erlich
B. Sc. Physik, 4. Semester
SupraleitungSupraleitung
Betreuer: Dr. Thomas Schmidt
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
2 Universität Bremen
Ein erstaunliches Phänomen
http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/Magnetschwebebahn%201.mpg
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
3 Universität Bremen
Ein erstaunliches Phänomen
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mündliche Präsentationstechniken
4 Universität Bremen
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)
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5 Universität Bremen
Inhalt
Die Entdeckung der Supraleitung
MeißnerOchsenfeldEffekt
BCSTheorie
JosephsonEffekt
HochtemperaturSupraleitung
Anwedungen der Supraleitung
ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770
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6 Universität Bremen
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 PhysikNobelpreis
Onnes' Originalmessung. Kittel [2], S. 361
T [K]
R [Ω]
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7 Universität Bremen
Heike Kamerlingh Onnes (18531926)
Links: http://www.kb.nl/hkc/nobel/onnes/onnesboerhaave.jpg Mitte: http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/explosion/KOlab.jpgRechts: http://www.science.uva.nl/research/itf/images/vdwaals_large.jpg
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8 Universität Bremen
MeißnerOchsenfeldEffekt
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=ϱs⋅ j (Ohm'sches Gesetz)
rot E=−∂ B∂ t
(2. MaxwellGl.)
Baußen≠0
Supraleiter ≠ Leiter mit ϱ s=0
normalleitender Zustand
supraleitender Zustand
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9 Universität Bremen
Magnetische Levitation
Technorama Winterhur (Schweiz), YBCOhttp://de.wikipedia.org/wiki/Mei%C3%9FnerOchsenfeldEffekt
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10 Universität Bremen
Inhalt
Die Entdeckung der Supraleitung
MeißnerOchsenfeldEffekt
BCSTheorie
JosephsonEffekt
HochtemperaturSupraleitung
Anwedungen der Supraleitung
ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770
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11 Universität Bremen
BCSTheorie (John Bardeen, Leon Cooper, J. Robert Schrieffer, veröffentlicht 1957)
Elektronen bilden CooperPaare
CooperPaare: Bewegung ohne Streuung
Brown'sche Bewegung kann CooperPaare trennen
Gitterschwingungen wandern als Phononenbearbeitet nach: John R. Kirtley et al.: “Probing HightTemperature
Superconductivity”,Scientific American, August1996, S. 73
klassisch BCS
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12 Universität Bremen
Veranschaulichungen der ElektronPhononWechselwirkung
Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung. WileyVCH, 2004, S 117/118. Foto: http://news.illinois.edu/II/07/1018/bardeen,john_b.jpg
John Bardeen (19081991)
1972: Nobelpreis für BCSTheorie
1956: Nobelpreis für Transistor
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13 Universität Bremen
Inhalt
Die Entdeckung der Supraleitung
MeißnerOchsenfeldEffekt
BCSTheorie
JosephsonEffekt
HochtemperaturSupraleitung
Anwedungen der Supraleitung
ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770
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14 Universität Bremen
JosephsonEffekt
U außen = 0 ⇒ I Tunnel=
0
Metall im supraleitenden Zustand
Isolierende Nanoschicht
TunnelStrom
U außenU außen
I Tunnel
U außen~
0 ⇒ I Tunnel=
0
U außen=
0 ⇒ I Tunnel~
0
U=h
2⋅e⋅f
Bearbeitet nach: Buckel/Kleiner: Supraleitung. WileyVCH, 2004, S 136
I außen
U außen= bzw. ~
⇔ I Tunnel~ bzw. =
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15 Universität Bremen
Inhalt
Die Entdeckung der Supraleitung
MeißnerOchsenfeldEffekt
BCSTheorie
JosephsonEffekt
HochtemperaturSupraleitung
Anwedungen der Supraleitung
ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770
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16 Universität Bremen
Supraleiter im Lauf der Jahrzehnte
Flüssiges Helium
Flüssiger Stickstoff
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
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17 Universität Bremen
Inhalt
Die Entdeckung der Supraleitung
MeißnerOchsenfeldEffekt
BCSTheorie
JosephsonEffekt
HochtemperaturSupraleitung
Anwedungen der Supraleitung
ZusammenfassungHalliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 2003, S.770
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
18 Universität Bremen
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”. VileyVCH, 2005, S. 42
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
19 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Medizin: Kernspintomographie
HochenergiePhysik: Teilchenbeschleuniger
http://theobservereffect.files.wordpress.com/2009/03/lhc_hall_1.jpg
Large Hadron Collider, Halle 1
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20 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Medizin: Kernspintomographie
HochenergiePhysik: Teilchenbeschleuniger
Messtechnik: PicoVoltmeter, PicoTeslameter
David J. Bishop et al.: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, S. 54
SquidPicoVoltmeter
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21 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Forschung: Kernfusionsreaktor
Modell eines KernfusionsReaktors („ITER FEAT“)
Geoff Brumfiel: “Just around the corner”, Nature Vol 434, S. 319
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22 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Forschung: Kernfusionsreaktor
LeiterWerkstoffe: Supraleitendes Kabel
supraleitendes Kabel
A.Malozemoff, J.Mannhart, D.Scalapino, Hochtemperatursupraleiter in der Technik, Physik in unserer Zeit, Nr. 37 (2006), 162 169‐
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mündliche Präsentationstechniken
23 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Forschung: Kernfusionsreaktor
LeiterWerkstoffe: Supraleitendes Kabel
Industrie/Technik:Reibungsfreie Lager / Gelenke
http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/Supraleitender%20Lift%201.mpg
supraleitend berührungsfrei gelagerter Lift
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
24 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Forschung: Kernfusionsreaktor
LeiterWerkstoffe: Supraleitendes Kabel
Industrie/Technik:Reibungsfreie Lager / Gelenke
Transportwesen: Magnetschwebebahn
Fastest Train in the World: 581km/h, http://www.youtube.com/watch?v=IPduAYKk_6I
Supraleitender Magnetschwebezug Maglev MLX 01
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
25 Universität Bremen
Anwendungen der Supraleitung – einige Beispiele
Forschung: Kernfusionsreaktor
LeiterWerkstoffe: Supraleitendes Kabel
Industrie/Technik:Reibungsfreie Lager / Gelenke
Transportwesen: Magnetschwebebahn
http://www.ifwdresden.de/offers/downloads/videos/supratrans2.wmv
SupraTrans: Supraleiter im Trag und Führsystem
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Mai 2009Supraleitung
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26 Universität Bremen
Zusammenfassung
„Die Theorie der HochtemperaturSupraleitung ist noch völlig im Fluß [und ist ein] faszinierender aktueller Forschungsgegenstand.“
Prof. Dr. Gerd Czycholl in „Theoretische Festkörperphysik“, S. 348
BCSTheorieElektronen verformen Gitter
Bilden dadurch CooperPaare
JosephsonEffekt U außen
= bzw. ~⇔ I Tunnel
~ bzw. =
Anwendungen: viele Bereiche
MeißnerOchsenfeldEffekt
MagnetfeldVerdrängung
Supraleiter klassischer Leiter mit
≠ϱs=0
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Mai 2009Supraleitung
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27 Universität Bremen
Quellenverzeichnis Bücher
● Werner Buckel, Reinhold Kleiner: Supraleitung – Grundlagen und Anwendungen. WileyVCH, 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
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
28 Universität Bremen
Quellenverzeichnis Bücher
● Halliday/Resnick/Walker: “Physik”. VileyVCH, 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, HermannFriedrich Wagner (Hg.): “Die Welt hinter den Dingen”. VileyVCH, 2005
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
29 Universität Bremen
Quellenverzeichnis Zeitschriften
● Georg Wolschin: “BoseEinsteinKondensat tunntelt à la Josephson”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/1999, S. 24
● David J. Bishop, Peter L. Gammel, David A. Huse: “Magnetisches Verhalten von HochtemperaturSupraleitern”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 4/1993, Seite 46
● Steven Kivelsen, DungHai Lee, ShouCheng Zhang: “QuantenHallEffekt und Supraleitung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 5/1996, Seite 52
● John R. Kirtley, Chang C. Tsuei: “Probing HightTemperature Superconductivity”,Scientific American, August 1996, S. 6873
● John R. Kirtley, Chang C. Tsuei: “Ein Quantenmodell der HochtemperaturSupraleitung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 10/1996, S. 86
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
30 Universität Bremen
Quellenverzeichnis Zeitschriften
● Rudolf de Bruyn Ouboter: “Heike Kamerlingh Onnes's Discovery of Superconductivity”, Scientific American, Ausgabe März 1997, S. 98103
● 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. 4551
● Emanuela Buyer: “Magnetisch angezogene Paare”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Februar 2007, S. 1415
● Alexei A. Abrikosov: “Die Entdeckung der TypIISupraleitung”, Physikalische Blätter 57 (2001) Nr. 1
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
31 Universität Bremen
Quellenverzeichnis Zeitschriften
● Hans HenningKlauss, Bernd Büchner: “Neuer Goldrausch in der Supraleitung”, Physik Journal, Ausgabe 7/2008, S. 1819.
● Paul C. Canfield, Sergey L. Bud'ko: “Heiße Aussichten für TieftemperaturSupraleiter”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe Juni 2005
● Paul C. W. Chu: “HighTemperature Superconductors”, Scientific American, Ausgabe September 1995, S. 162165
● Anonym: “Sprungtemperatur macht großen Sprung”, Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 3/2001, S. 26
● Helmut Eschrig, Jörg Fink, Ludwig Schultz: “15 Jahre HochtemperaturSupraleitung”, Physik Journal, Ausgabe 1/2002, S. 4551
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
32 Universität Bremen
Quellenverzeichnis Zeitschriften● Helmut Eckhardt, HansJürgen 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, DungHai Lee, ShouCheng Zhang: “Electrons in Flatland”, Scientific American, Ausgabe März 1996, S. 8691
● David J. Bishop, Peter L. Gammel, David A. Huse: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, Scientific American, Februar 1993, S. 4855
● Geoff Brumfiel: “Just around the corner”, Nature Vol 434, 21. Juli 2005
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
33 Universität Bremenhttp://www.ac2.unibayreuth.de/teaching/hs/
Vortrag von Alexander Erlich
B. Sc. Physik, 4. Semester
Zusätzliche FolienZusätzliche Folien
Betreuer: Dr. Thomas Schmidt
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
34 Universität Bremen
Typ I Typ II
MeißnerO.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, Keramiken Beide Bilder aus Tipler: Modern Physics, S. 486
Arten von Supraleitern
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
35 Universität Bremen
MeißnerO.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, Keramiken Bilder aus Tipler: Modern Physics, S. 484/486
Typ I Typ IIArten von Supraleitern
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
36 Universität Bremen
FlußQuantisierung beim Typ II Betrachtet: Supraleiter 2. Art mit
unvollständiger MeißnerEffekt: teils normalleitend, teils supraleitend
Bc1BB c2
Magnetisches PhasendiagrammMeissnerEffekt: betrachteter Bereich
Tipler: Modern Physics, S. 484/486 (links)David J. Bishop et al.: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, S. 52
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
37 Universität Bremen
FlußQuantisierung beim Typ II
Anordnung der magnetischen Flußröhren in „Dreiecksform“ Flußröhren durchdringen
supraleitenden Bereich (blau)
Normalleitender Bereich: Flußröhren
Jede trägt den gequantelten Fluß
m=n⋅h
2⋅e=n⋅2,0678⋅10−15Tm 2
für n=1,2,3, ...
David J. Bishop et al.: “Resistance in HighTemperature Superconductors”, S. 50/51
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
38 Universität Bremen
Sprungtemperaturen
Typ I: v.a. sehr reine metallische Elemente
Typ II: nicht elementar – meistens Legierungen Tabelle: Tipler [4], S. 594
PSE: Ibach/Lüth,Festkörperphysik,Springer, Berlin
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
39 Universität Bremen
John Bardeen (19081911)
1962: Nobelpreis für BCSTheorie
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
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
40 Universität Bremen
HochtemperaturSupraleitung
1987: PhysikNobelpreis für Bednorz und Müller
ihre Entdeckung:
Heutiger Rekord:
flüssiger Stickstoff ersetzt Helium als Kühlmittel
BCSTheorie keine ausreichende Erklärung
T c LaBaCuO= K30
T c TlBaCuO = K125
Tabelle: Tipler [4], S. 604Czycholl: http://wwwsolidstate.physik.unibremen.de/czycholl/gerd1100.jpg
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
41 Universität Bremen
JosephsonKontakte
Brian Josephson machte drei wichtige Entdeckungen:
1) JosephsonKontakt: CooperPaare können ohne Widerstand tunnelnGleichstrom fließt mit
2) WechselstromJosephsonEffekt: Wird U an J.Kontakt angelegt, fließt Wechselstrom mit
3) SQUID: Superconducting Quatum Interference Device
f =2eU
h
I=I max sin 2−1
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Mai 2009Supraleitung
mündliche Präsentationstechniken
42 Universität Bremen
SQUID: Superconducting Quatum Interference Device
Supraleitender Ring: Zwei JosephsonKontakte
Konstantes BFeld auf den Ring >Interferenz
Ermöglicht Messung von Magnetfeldern
10−14 T