Nadprzewodnictwo w materiałach konwencjonalnych i topologicznych

Transkrypt

1 LTN - Lublin 29 XI 2018 r. Nadprzewodnictwo w materiałach konwencjonalnych i topologicznych Tadeusz Domański Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej

2 LTN - Lublin 29 XI 2018 r. Nadprzewodnictwo w materiałach konwencjonalnych i topologicznych Tadeusz Domański Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej

3 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat?

4 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badanie nadprzewodnictwa 5-krotnie przyznawano Nagrody Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób)

5 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badanie nadprzewodnictwa 5-krotnie przyznawano Nagrody Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób) Aspekty technologiczne: nowe technologie w energetyce, medycynie itp.

6 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badanie nadprzewodnictwa 5-krotnie przyznawano Nagrody Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób) Aspekty technologiczne: nowe technologie w energetyce, medycynie itp. Aktualne wyzwania: rola efektów topologicznych, kwazicza stki Majorany...

7 Opór elektryczny istota zjawiska

8 Opór elektryczny istota zjawiska Pod wpływem zewne trznych pól (elektrycznego, magnetycznego, gradientu temperatur) elektrony walencyjne dryfuja w przestrzeni, generuja c pra d.

9 Opór elektryczny istota zjawiska Ruch elektronów odbywa sie w sieci jonów ulegaja c procesom rozpraszania, co przejawia sie jako opór I = 1 R U prawo Ohma

10 Opór elektryczny istota zjawiska Prawo Ohma można zapisać w równoważnej postaci J = σ E σ przewodnictwo właściwe ρ 1/σ opór właściwy

11 Opór elektryczny istota zjawiska Opór całkowity wynosi R = ρ l A,

12 Opór elektryczny istota zjawiska Opór całkowity wynosi R = ρ l A, gdzie opór właściwy ρ

13 Opór elektryczny istota zjawiska Opór całkowity wynosi R = ρ l A, gdzie opór właściwy ρ zależy od: rodzaju materiału,

14 Opór elektryczny istota zjawiska Opór całkowity wynosi R = ρ l A, gdzie opór właściwy ρ zależy od: rodzaju materiału, temperatury.

15 Opór elektryczny istota zjawiska Opór całkowity wynosi R = ρ l A, gdzie opór właściwy ρ zależy od: rodzaju materiału, temperatury. 1/ρ = nq2 τ m (model P. Drude go) σ 1/ρ n koncentracja elektronów w pasmie przewodnictwa

16 Opór elektryczny znaczenie struktury pasmowej

19 Opór elektryczny znaczenie struktury pasmowej Temperatura wpływa na wartość n w półprzewodnikach i izolatorach.

20 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C

21 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m aluminium żelazo 2, Ω m 1, Ω m

22 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m aluminium żelazo 2, Ω m 1, Ω m grafit german krzem 2, Ω m 4, Ω m 6, Ω m

23 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m aluminium żelazo 2, Ω m 1, Ω m grafit german krzem diament guma teflon 2, Ω m 4, Ω m 6, Ω m Ω m Ω m Ω m

24 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m aluminium żelazo 2, Ω m 1, Ω m grafit german krzem diament guma teflon 2, Ω m 4, Ω m 6, Ω m Ω m Ω m Ω m Wartości oporu różnia sie o ponad 30 rze dów wielkości!

25 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m. przewodniki aluminium 2, Ω m żelazo grafit german krzem diament guma teflon 1, Ω m 2, Ω m 4, Ω m 6, Ω m Ω m Ω m Ω m Wartości oporu różnia sie o ponad 30 rze dów wielkości!

26 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m. przewodniki aluminium 2, Ω m żelazo 1, Ω m grafit 2, Ω m 4, Ω m german. półprzewodniki krzem diament guma teflon 6, Ω m Ω m Ω m Ω m Wartości oporu różnia sie o ponad 30 rze dów wielkości!

27 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m. przewodniki aluminium 2, Ω m żelazo 1, Ω m grafit 2, Ω m 4, Ω m german. półprzewodniki krzem 6, Ω m diament Ω m Ω m guma. izolatory teflon Ω m Wartości oporu różnia sie o ponad 30 rze dów wielkości!

28 Odkrycie nadprzewodnictwa 8 kwietnia 1911 r. Stan nadprzewodza cy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte ci. Poniżej temperatury T c = 4,2 K (czyli -269 o C) opór całkowicie zanika.

29 Odkrycie nadprzewodnictwa 8 kwietnia 1911 r. Stan nadprzewodza cy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte ci. Poniżej temperatury T c = 4,2 K (czyli -269 o C) opór całkowicie zanika. opor, temperatura [K]

44 Odkrycie nadprzewodnictwa 8 kwietnia 1911 r. Stan nadprzewodza cy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte ci. Poniżej temperatury T c = 4,2 K (czyli -269 o C) opór całkowicie zanika.

45 Odkrycie nadprzewodnictwa 8 kwietnia 1911 r. Stan nadprzewodza cy odkryto (przypadkowo) podczas badania oporu rte ci. Poniżej temperatury T c = 4,2 K (czyli -269 o C) opór całkowicie zanika.. (Lejda, Holandia) Heike Kamerlingh Onnes

46 Nadprzewodniki efekt Meissnera

47 Nadprzewodniki efekt Meissnera Nadprzewodniki charakteryzuja sie jednocześnie idealnym diamagnetyzmem. Zjawisko to polega na całkowitym ekranowaniu pola magnetycznego. W. Meissner, R. Ochsenfeld ( 1933 r. )

48 Nadprzewodniki efekt Meissnera Pole magnetyczne wnika jedynie do niewielkiej głe bokości przy powierzchni. B(x) = B 0 e x/λ x Heinz i Fritz London (1935 r.)

49 Nadprzewodniki efekt Meissnera Zjawisko Meissnera wykorzystuje sie np. do profilowania linii sił pola magnetycznego.

50 Nadprzewodniki efekt Meissnera W ten sposób można skompensować siłe grawitacji, uzyskuja c efekt lewitacji.

53 Nadprzewodniki efekt Meissnera Perspektywa: Skarpety lewituja ce wraz z właścicielem?

54 Nadprzewodniki kolejne odkrycia

55 Nadprzewodniki kolejne odkrycia Stan nadprzewodza cy został później odkryty w kilku innych pierwiastkach oraz stopach. Oto wybrane przykłady:

56 Nadprzewodniki kolejne odkrycia Stan nadprzewodza cy został później odkryty w kilku innych pierwiastkach oraz stopach. Oto wybrane przykłady: 80 ciekly N 2 60 T c (K) ciekly H 2 Nb 3 Ge Nb 3 Sn Nb Pb NbN V Si Nb Al Ge 3 Hg rok

57 Nadprzewodniki kolejne odkrycia Stan nadprzewodza cy został później odkryty w kilku innych pierwiastkach oraz stopach. Oto wybrane przykłady: 80 ciekly N 2 skroplony azot 60 T c (K) ciekly H 2 Nb 3 Ge Nb 3 Sn Nb Pb NbN V Si Nb Al Ge 3 Hg rok skroplony neon skroplony wodór skroplony hel

58 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu (konwencjonalnego) nadprzewodnictwa miało:

59 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu (konwencjonalnego) nadprzewodnictwa miało: odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c 1 M M - masa jonów

60 Teoria nadprzewodnictwa 1957 r. Za opracowanie mikroskopowej teorii nadprzewodnictwa (tzw. teorie BCS) przyznano Nagrode Nobla w 1972 roku.

61 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne

62 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego:

63 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary (Coopera)

64 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: w pary (Coopera) ła cza sie i kolektywnie na zewne trzne zaburzenia reaguja

65 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary (Coopera) i kolektywnie reaguja na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!)

66 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary (Coopera) i kolektywnie reaguja na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za:

67 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary (Coopera) i kolektywnie reaguja na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za: idealne przewodnictwo (ruch bez rozpraszania)

68 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary (Coopera) i kolektywnie reaguja na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za: idealne przewodnictwo idealny diamagnetyzm (ruch bez rozpraszania) (efekt Meissnera)

69 Nadprzewodnictwo zjawisko emergentne Elektrony w powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary (Coopera) i kolektywnie reaguja na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za: idealne przewodnictwo idealny diamagnetyzm (ruch bez rozpraszania) (efekt Meissnera) nowe zjawiska (efekt Josephsona, wiry kwantowe itp.)

70 Efekt Josephsona pra d par Coopera

71 Efekt Josephsona pra d par Coopera nadprzew. 1 izolator nadprzew. 2 I > 0 U=0 Zła cze utworzone z dwóch nadprzewodników i cienkiej warstwy izolatora.

72 Efekt Josephsona pra d par Coopera SQUID Superconducting QUantum Interferometer Device. Takie urza dzenia sa w stanie wykryć bardzo małe pola magnetyczne T.

73 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć

74 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć Alex Müller, Georg Bednorz / IBM Rüschlikon, Szwajcaria / W 1986 r. odkryto, że materiał ceramiczny La 2 x Sr x CuO 4 (który dla x=0 jest izolatorem typu Motta) w zakresie domieszkowania 0,05 < x < 0,25 staje nadprzewodnikiem. sie Maksymalna temperatura krytyczna La 2 x Sr x CuO 4 wynosi T c =36 K.

75 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć Alex Müller, Georg Bednorz. Nagroda Nobla, 1987 r. / IBM Rüschlikon, Szwajcaria / W 1986 r. odkryto, że materiał ceramiczny La 2 x Sr x CuO 4 (który dla x=0 jest izolatorem typu Motta) w zakresie domieszkowania 0,05 < x < 0,25 staje sie nadprzewodnikiem. Maksymalna temperatura krytyczna La 2 x Sr x CuO 4 wynosi T c =36 K.

76 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć Odkrycie to zapocza tkowało burzliwy okres historii rozwoju nadprzewodnictwa.

77 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć Odkrycie to zapocza tkowało burzliwy okres historii rozwoju nadprzewodnictwa. 180 * HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ 120 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 T c (K) ciekly N 2 Bi 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 YBa 2 Cu 3 O 7 δ La 2 δ Sr δ CuO 4 20 ciekly H Nb 2 Nb 3 Sn 3 Ge Hg Pb Nb NbN V Si Nb Al Ge rok

78 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć Odkrycie to zapocza tkowało burzliwy okres historii rozwoju nadprzewodnictwa. 180 * HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ T c (K) ciekly N 2 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 YBa 2 Cu 3 O 7 δ temp. pow. Ksie życa skroplony azot La 2 δ Sr δ CuO 4 20 ciekly H Nb 2 Nb 3 Sn 3 Ge Hg Pb Nb NbN V Si Nb Al Ge rok temp. pow. Plutonu skroplony wodór skroplony hel

79 2. Nowy rozdział nadprzewodnictwa: rola efektów topologicznych