) (*#)$+$$ poniedziałki 13:30-15:00 wtorki 12:00-14:00 pitek 8:30-10:00

Transkrypt

1 poniedziałki 13:30-15:00 wtorki 12:00-14:00 pitek 8:30-10:00 8 wykładów, 3 wiczenia: w, w, w, w, c, w, w, c, w, w, c(kolo) kolokwium na ostatnich cw. historia zerowy opór efekt Meissnera temperatura, pole i prd krytyczny kwantowanie strumienia nadprzewodniki I i II rodzaju efekt Josephsona, squid teoria!"!! # $%&%$' 2. Przegld nadprzewodników 3. Nadprzewodniki - zastosowania!"!! # $%&%$' Literatura: C. Kittel, Wstp do fizyki ciała stałego C. Enss, Low-temperature physics W. Buckel, Superconductivity: fundamentals and applications C.Poole et al., Superconductivity i wiele innych ksiek ( H. Kamerlingh-Onnes w Leiden (Holandia) w 1908 r skroplił jako pierwszy hel i osignł temperatury a do 1.5 K. ) (*#)$+$$ Heike Kamerlingh-Onnes Nobel lecture, 1913, & Leiden Comm. 120b (1911). H.Kamerlingh-Onnes Nobel lecture, 1913

2 , #-"./0 R = 0 poniej pewnej temperatury krytycznej T c prd wzbudzony w ptli z nadprzewodnika nie zanika I = I 0 exp(-r/l t) = I 0 exp(-t /τ) eksperymenty stała zaniku τ powyej 10 5 lat R < Ωm 15 rzdów mniej ni w stanie normalnym powyej T c w silnym polu magnetycznym stan nadprzewodzcy jest niszczony i znowu jest stan normalny (=metaliczny, nienadprzewodzcy) 1 2-" 32 T c = 7.2 K H c = 800 Oe odkryty w 1933, W. Meissner i R. Ochsenfeld w fazie nadprzewodzcej B = 0 zawsze powstaje prd ekranujcy na powierzchni nadprzewodnika B = µ 0( H + M ) = 0 M = H χ = dm dh = 1 igły magnetyczne wokół cyny (Tc = 3.8 K), zanurzone w nadciekłym helu, T = 1.5 K, 80 Oe, (photo: Alfred Leitner)

3 Dla idealnego przewodnika przejcie do stanu z R = 0 w obecnoci pola magnetycznego powodowałoby uwizienie wewntrz pola. Dla nadprzewodnika pole jest wypychane na zewntrz. Superconductivity University of Oslo 89 -" M = H χ SI = 1, T c = 7.2 K

4 ,:9; ( <" Nadprzewodnik modyfikuje pole magnetyczne Wspołczynnik demagnetyzacji n zaley od kształtu próbki: - dla walca wzdłu pola n 0 = 0 - dla kuli n 1 =1/3 - dla płyty w poprzek n 3 = 1 Moe si zdarzy, e w pewnych miejscach pole przekracza pole krytyczne, a w innych nie stan poredni = 9. 0 T. E. Faber, Proc. Roy. Soc. A248, 460 (1958) Laminarna struktura z naprzemiennymi obszarami nadprzewodzcymi i normalnymi, typowa dla nadprzewodnika I rodzaju w postaci płytki, i polem magnetycznym prostopadłym do niej. Rozmiar struktur: makroskopowy, rzdu mm > Nadprzewodnictwo jest niszczone przez za du temperatur za due pole magnetyczne duy prd równie niszczy stan nadprzewodzcy diagram fazowy H-T-j ( j - gsto prdu) maksymalna warto j zaley równie od geometrii diagram fazowy nadprzewodnika w płaszczynie HT jest opisany empirycznym wzorem H c ( T ) T = 1 H (0) T c 2 2 c powierzchnia krytyczna dla NbTi

5 Dla SC II rodzaju: dwa pola krytyczne, H c1 i H c2 dla H c1 <H<H c2 pole magn. wnika do próbki w postaci worteksów jest to tzw. stan mieszany (mixed state) inny ni stan poredni pierwszego rodzaju drugiego rodzaju stan mieszany dla H > H c1 pole wnika do SC w postaci worteksów, kady worteks zawiera 1 flukson pola wokół kadego worteksu płynie prd nadprzewodzcy wewntrz kadego worteksu jest stan normalny dla H>H c2 worteksy s zbyt gsto i stan SC całkiem znika w stanie mieszanym materiał nadal moe przewodzi prd z R = 0 pierwszego rodzaju drugiego rodzaju pole H c2 znacznie wiksze ni H c1 sie worteksów w NbSe2 (obrazki ze scanning tunneling microscope) * Strumie pola magnetycznego uwiziony w nadprzewodzcym piercieniu jest zawsze wielokrotnoci kwantu strumienia Φ 0. /?@= Mikroskopowa teoria nadprzewodników wyjaniajca komplet ich własnoci (transportowe, termodynamiczne, spektroskopowe) h Φ 0 = 2e J. Bardeen, L. Cooper, J. Schrieffer, 1957 Tworzenie si par Coopera (par elektronów) na skutek oddziaływania z sieci krystaliczn. Powstanie przerwy energetycznej. Nadprzewodniki BCS = klasyczne S. Deaver et al, PRL 7, 43 (1961) W.L. Goodman et al, PRB 4, 1530 (1971) Strumie po chłodzeniu w rónym polu

6 32 Zachowanie złcza dwóch nadprzewodników oddzielonych cienkim izolatorem. Makroskopowa funkcja falowa opisuje stan nadprzewodnika 32 pary Coopera mog tunelowa poprzez złcze S-I-S efekt DC Josephsona dla V = 0 jest niezerowy prd stały I = I c sin(θ 1 θ 2 ) efekt AC Josephsona dla V < > 0 płynie prd zmienny o amplitudzie I c o czstoci f = 2eV/h (i emitowane jest promieniowanie EM) stan normalny, stan nadprzewodzcy charakterystyka prdowo-napiciowa Nb / Al 2 O 3 (kilka nm) / Nb Brian D. Josephson, Possible new effects in superconductive tunnelling, Physics Letters 1, 251 (1962) Proste wyprowadzenie: patrz np. The Feynman Lectures on Physics, 1964, ostatni rozdział ostatniego tomu dla V > 2 /e jest opór omowy tylko tunelowanie elektronów przez izolator dla V < 2 /e przerwa energetyczna uniemoliwia tunelowanie =A1. B 2C0 =A1 piercie nadprzewodzcy rozcity dwoma cienkimi złczami A i B Prd krytyczny I max jest silnie oscylujc funkcj strumienia pola (ju nie skwantowanego, bo przez złcza pole moe wnika). I max = I 0 eφ sinδ 0 cos 0 C. Enss, Low-temperature physics, 2005 C. Enss, Low-temperature physics, 2005