Nadprzewodniki: właściwości i zastosowania

Transkrypt

1 Lublin, 21 września 2012 r. Nadprzewodniki: właściwości i zastosowania Tadeusz Domański Instytut Fizyki Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej

2 Lublin, 21 września 2012 r. Nadprzewodniki: właściwości i zastosowania Tadeusz Domański Instytut Fizyki Uniwersytet M. Curie-Skłodowskiej

3 Plan wykładu :

4 Plan wykładu : Odkrycie nadprzewodnictwa

5 Plan wykładu : Odkrycie nadprzewodnictwa Właściwości nadprzewodników

6 Plan wykładu : Odkrycie nadprzewodnictwa Właściwości nadprzewodników Istota zjawiska nadprzewodnictwa

7 Plan wykładu : Odkrycie nadprzewodnictwa Właściwości nadprzewodników Istota zjawiska nadprzewodnictwa Sto lat odkryć

8 Plan wykładu : Odkrycie nadprzewodnictwa Właściwości nadprzewodników Istota zjawiska nadprzewodnictwa Sto lat odkryć Zastosowania

9 Plan wykładu : Odkrycie nadprzewodnictwa Właściwości nadprzewodników Istota zjawiska nadprzewodnictwa Sto lat odkryć Zastosowania Pokaz

10 1. Odkrycie nadprzewodnictwa

11 Osobliwości niskich temperatur sprzeczne oczekiwania Dzie ki opracowaniu metod skraplania gazów (tlenu, azotu i helu) na pocza tku XX wieku udało sie uzyskać temperatury rze du o C.

12 Osobliwości niskich temperatur sprzeczne oczekiwania Dzie ki opracowaniu metod skraplania gazów (tlenu, azotu i helu) na pocza tku XX wieku udało sie uzyskać temperatury rze du o C.

13 Osobliwości niskich temperatur sprzeczne oczekiwania Dzie ki opracowaniu metod skraplania gazów (tlenu, azotu i helu) na pocza tku XX wieku udało sie uzyskać temperatury rze du o C. Oczekiwania dotycza ce właściwości oporu były skrajnie sprzeczne.

14 Osobliwości niskich temperatur sprzeczne oczekiwania Dzie ki opracowaniu metod skraplania gazów (tlenu, azotu i helu) na pocza tku XX wieku udało sie uzyskać temperatury rze du o C. Weryfikacja doświadczalna okazała sie jeszcze bardziej zaskakuja ca.

15 Odkrycie nadprzewodnictwa 25 października 1911 r. Pierwszym (przypadkowo) odkrytym nadprzewodnikiem była rte ć Hg. Jej temperatura krytyczna wynosi T c = 4,2 K, czyli T c -269 o C.

16 Odkrycie nadprzewodnictwa 25 października 1911 r. Pierwszym (przypadkowo) odkrytym nadprzewodnikiem była rte ć Hg. Jej temperatura krytyczna wynosi T c = 4,2 K, czyli T c -269 o C.

17 Odkrycie nadprzewodnictwa 25 października 1911 r. Pierwszym (przypadkowo) odkrytym nadprzewodnikiem była rte ć Hg. Jej temperatura krytyczna wynosi T c = 4,2 K, czyli T c -269 o C. Heike Kamerlingh Onnes (Lejda, Holandia)

18 2. Właściwości nadprzewodników

19 Nadprzewodniki podstawowe cechy

20 Nadprzewodniki podstawowe cechy Idealne przewodnictwo / pra du stałego /

21 Nadprzewodniki podstawowe cechy Idealne przewodnictwo / pra du stałego /

22 Nadprzewodniki podstawowe cechy Idealne przewodnictwo / pra du stałego / Zwykłe przewodniki: prawo Ohma gdzie ρ 1/σ oraz R = ρ l S σ = ne2 τ m τ(t) czas relaksacji

23 Nadprzewodniki podstawowe cechy Idealne przewodnictwo / pra du stałego / Przewodnictwo / pra du zmiennego / wyrażenie Drude σ(ω) = ne2 τ m 1 1 iωτ spełnia regułe f-sum ne2 Re σ(ω) = π m σ N Re σ(ω) ωτ 3 4 5

24 Nadprzewodniki podstawowe cechy Idealne przewodnictwo / pra du stałego / Przewodnictwo / pra du zmiennego / Reguła f-sum ne2 Re σ(ω) = π m jest też spełniona poniżej T c, gdzie n = n n + n s n s koncentracja elektronów nadciekłych

25 Nadprzewodniki podstawowe właściwości (c.d.)

26 Nadprzewodniki podstawowe właściwości (c.d.) Idealny diamagnetyzm /całkowite ekranowanie pola magnetycznego/ Meissner i Ochsenfeld (1933 r.) T > T c T < T c

27 Nadprzewodniki podstawowe właściwości (c.d.) Idealny diamagnetyzm /całkowite ekranowanie pola magnetycznego/ Meissner i Ochsenfeld (1933 r.) T > T c T < T c Równanie Londonów: j = n se 2 m gdzie A n s e 2 m 1 µ 0 λ 2 B(x) = B 0 e x/λ x

28 Nadprzewodniki podstawowe właściwości (c.d.) Idealny diamagnetyzm /całkowite ekranowanie pola magnetycznego/ Meissner i Ochsenfeld (1933 r.) T > T c T < T c Równanie Londonów: j = n se 2 m gdzie n s e 2 m 1 A B(x) = B 0 e x/λ µ 0 λ 2 Heinz & Fritz London (1935 r.) x

29 3. Istota zjawiska nadprzewodnictwa

30 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez prawie 50 lat nikt nie potrafił wyjaśnić mechanizmu zjawiska nadprzewodnictwa, pomimo iż zajmowali sie tym najwybitniejsi naukowcy XX wieku: No one is smart enough to explain it R. Feynman

31 Zagadka nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia problemu nadprzewodnictwa miały dwa naste puja ce fakty:

32 Zagadka nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia problemu nadprzewodnictwa miały dwa naste puja ce fakty: odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c ( 1 M ) α

33 Zagadka nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia problemu nadprzewodnictwa miały dwa naste puja ce fakty: odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c ( 1 M ) α teoretyczna praca H. Fröhlicha (1950 r.)

34 Zagadka nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia problemu nadprzewodnictwa miały dwa naste puja ce fakty: odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c ( 1 M ) α teoretyczna praca H. Fröhlicha (1950 r.) Wskutek sprze żenia do drgań sieci krystalicznej elektrony doznaja efektywnego przycia gania, dzie ki czemu ła cza sie w pary Coopera.

35 Mikroskopowa teoria 1957 r.

36 Mikroskopowa teoria 1957 r. Za opracowanie mikroskopowej teorii nadprzewodnictwa (czyli tzw. teorie BCS) przyznano Nagrode Nobla w 1972 r.

37 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska

38 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego:

39 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera

40 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera i w kolektywny sposób reaguja na zewne trzne pola

41 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera i w kolektywny sposób reaguja na zewne trzne pola (jak gigantyczny super-atom identycznych obiektów!)

42 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera i w kolektywny sposób reaguja na zewne trzne pola (jak gigantyczny super-atom identycznych obiektów!) Kondensat Bosego-Einsteina par Coopera jest odpowiedzialny za:

43 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera i w kolektywny sposób reaguja na zewne trzne pola (jak gigantyczny super-atom identycznych obiektów!) Kondensat Bosego-Einsteina par Coopera jest odpowiedzialny za: doskonałe przewodnictwo ruch bez rozpraszania

44 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera i w kolektywny sposób reaguja na zewne trzne pola (jak gigantyczny super-atom identycznych obiektów!) Kondensat Bosego-Einsteina par Coopera jest odpowiedzialny za: doskonałe przewodnictwo ruch bez rozpraszania idealny diamagnetyzm czyli efekt Meissnera

45 Nadprzewodnictwo klasyczne istota zjawiska Elektrony z otoczenia powierzchni Fermiego: ła cza sie w pary Coopera i w kolektywny sposób reaguja na zewne trzne pola (jak gigantyczny super-atom identycznych obiektów!) Kondensat Bosego-Einsteina par Coopera jest odpowiedzialny za: doskonałe przewodnictwo ruch bez rozpraszania idealny diamagnetyzm czyli efekt Meissnera inne zjawiska kolektywne efekt Josephsona itp.

46 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki

47 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki Do powstawania par elektronowych oraz nadprzewodnictwa prowadzić moga

48 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki Do powstawania par elektronowych oraz nadprzewodnictwa prowadzić moga 1. fonony / nadprzewodniki klasyczne, MgB 2 /

49 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki Do powstawania par elektronowych oraz nadprzewodnictwa prowadzić moga 1. fonony / nadprzewodniki klasyczne, MgB 2 / 2. magnony / tzw. cie żkie fermiony /

50 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki Do powstawania par elektronowych oraz nadprzewodnictwa prowadzić moga 1. fonony / nadprzewodniki klasyczne, MgB 2 / 2. magnony / tzw. cie żkie fermiony / 3. oddziaływanie kulombowskie / nadprzewodniki wysokotemperaturowe /

51 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki Do powstawania par elektronowych oraz nadprzewodnictwa prowadzić moga 1. fonony / nadprzewodniki klasyczne, MgB 2 / 2. magnony / tzw. cie żkie fermiony / 3. oddziaływanie kulombowskie / nadprzewodniki wysokotemperaturowe / 4. rezonanse Feshbacha / ultrazimne gazy atomowe /

52 Źródła parowania egzotyczne nadprzewodniki Do powstawania par elektronowych oraz nadprzewodnictwa prowadzić moga 1. fonony / nadprzewodniki klasyczne, MgB 2 / 2. magnony / tzw. cie żkie fermiony / 3. oddziaływanie kulombowskie / nadprzewodniki wysokotemperaturowe / 4. rezonanse Feshbacha / ultrazimne gazy atomowe / 5. inne / plazma gluonowo-kwarkowa, nadciekłe gwiazdy neutronowe,... /

53 4. Sto lat odkrywania

54 Nadprzewodniki konwencjonalne historia odkryć

55 Nadprzewodniki konwencjonalne historia odkryć Nadprzewodnictwo (fononowe) odkryto w szeregu różnych pierwiastków oraz stopów. Oto wybrane przykłady:

56 Nadprzewodniki konwencjonalne historia odkryć Nadprzewodnictwo (fononowe) odkryto w szeregu różnych pierwiastków oraz stopów. 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 konwencjonalne historia odkryć Nadprzewodnictwo (fononowe) odkryto w szeregu różnych pierwiastków oraz stopów. Oto wybrane przykłady: 80 ciekly N 2 60 PdH x (T. Skoskiewicz, 1972 r.) T c (K) ciekly H 2 Nb 3 Ge Nb 3 Sn Nb Pb NbN V Si Nb Al Ge 3 Hg rok

58 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć

59 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) staje sie nadprzewodnikiem w zakresie domieszkowania 0,05 < x < 0,25. Maksymalna temperatura krytyczna tego materiału wynosi T c =36 K.

60 Odkrycie to zapocza tkowało burzliwy okres historii rozwoju nadprzewodnictwa * HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+δ 140 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 60 La 2 δ Sr δ CuO 4 40 ciekly H Nb 2 Nb 3 Sn 3 Ge 20 Hg Pb Nb NbN V Si Nb Al Ge rok

61 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.)

62 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) W kolejnych latach odkryto również wiele egzotycznych nadprzewodników, takich jak:

63 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) W kolejnych latach odkryto również wiele egzotycznych nadprzewodników, takich jak: przeoczony nadprzewodnik

64 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) W kolejnych latach odkryto również wiele egzotycznych nadprzewodników, takich jak: przeoczony nadprzewodnik MgB 2 T c =39 K

65 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) W kolejnych latach odkryto również wiele egzotycznych nadprzewodników, takich jak: przeoczony nadprzewodnik MgB 2 T c =39 K / J. Nagamatsu et al, Nature 410, 63 (2001). /

66 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) Pod ciśnieniem 1 GPa ferromagnetyk UGe 2 staje sie nadprzewodza cy! UGe 2 / S.S. Saxena et al, Nature 406, 587 (2000) /

67 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) Pod ciśnieniem 1 GPa ferromagnetyk UGe 2 staje sie nadprzewodza cy! UGe 2 / S.S. Saxena et al, Nature 406, 587 (2000) / Zwykle magnetyzm rywalizuje ze stanem nadprzewodza cym.

68 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) Diament domieszkowany borem (synteza pod ciśnieniem 100 tys. atmosfer) staje sie nadprzewodnikiem w T c =4 K.

69 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) Diament domieszkowany borem (synteza pod ciśnieniem 100 tys. atmosfer) staje sie nadprzewodnikiem w T c =4 K. Najtwardszy nadprzewodnik / E.A. Ekimov et al, Nature 428, 542 (2004) /

70 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.)

71 Nadprzewodniki historia odkryć (c.d.) J.L. Sarrao et al, Nature 420, 297 (2002). Nawet materiał promieniotwórczy PuCoGa 5, który jest wykorzystywany w broni nuklearnej, staje sie nadprzewodnikiem w temperaturze T c =2, 3 K.

72 Nadprzewodniki historia odkryć

73 Nadprzewodniki historia odkryć

74 Nadprzewodniki historia odkryć od epoki kamienia do epoki żelaza

75 5. Zastosowania nadprzewodników

76 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego

77 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego Long Island Power Authority (AmSC, Stany Zjednoczone)

78 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego Long Island Power Authority (AmSC, Stany Zjednoczone) Od kwietnia 2008 r. trójfazowa linia wysokiego napie cia zaopatruje w pra d energetyczny około udbiorców indywidualnych.

79 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego Long Island Power Authority (AmSC, Stany Zjednoczone) Kable wykonano z nadprzewodnika Y-Ba-Cu-O, które sa w miedzianej osłonie zanurzone w ciekłym azocie (izoluja c od otoczenia).

80 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego Long Island Power Authority (AmSC, Stany Zjednoczone) Moc pokazanej linii przesyłowej jest porównywalna z moca konwencjonalnej trakcji energetycznej sfotografowanej obok.

81 2. Bezpieczniki/ograniczniki pra du stałego/zmiennego Produkt firmy Nexan SuperConductors (Niemcy)

82 2. Bezpieczniki/ograniczniki pra du stałego/zmiennego Produkt firmy Nexan SuperConductors (Niemcy) Nadprzewodnikowe bezpieczniki umożliwiaja wyła czenie pra du podczas zwarcia i po 1/60 sekundy automatyczne odblokowanie sieci.

83 2. Bezpieczniki/ograniczniki pra du stałego/zmiennego Produkt firmy Nexan SuperConductors (Niemcy) Taki rodzaj ograniczników działa już w miejscowości Vattenfall, gdzie zabezpiecza od przepie ć elektrownie oparta na we glu brunatnym.

84 3. Silniki do nape du samochodów

85 3. Silniki do nape du samochodów W 2008 r. przedstawiono prototyp samochodu (wersja Toyoty Crown) który zasilany jest silnikiem elektrycznym o mocy 365 kw. Sumitomo Electric (Japonia)

86 3. Silniki do nape du samochodów W 2008 r. przedstawiono prototyp samochodu (wersja Toyoty Crown) który zasilany jest silnikiem elektrycznym o mocy 365 kw. Sumitomo Electric (Japonia) Zwoje silnika wykonano z nadprzewodnika wysokotemperaturowego które sa na stałe zanurzone w ciekłym azocie (temp. poniżej o C).

87 3. Silniki do nape du statków

88 3. Silniki do nape du statków Nape d statków pasażerskich oraz wojskowych be dzie zasta piony silnikami elektrycznymi wykonanymi z nadprzewodników wysokotemperaturowych. American Superconductor Corporation (USA)

89 3. Silniki do nape du statków Nape d statków pasażerskich oraz wojskowych be dzie zasta piony silnikami elektrycznymi wykonanymi z nadprzewodników wysokotemperaturowych. American Superconductor Corporation (USA) Takie silniki sa 3-krotnie mniejsze od konwecjonalnych oraz lżejsze i cichsze. Na obrazku jest pokazany szkic silnika o mocy 36 megawatów (49 tys KM).

90 4. Magnesy pola stałego W akceleratorze LHC w CERN wykorzystano magnesy nadprzewodnikowe

91 4. Magnesy pola stałego W akceleratorze LHC w CERN wykorzystano magnesy nadprzewodnikowe

92 4. Magnesy pola stałego W akceleratorze LHC w CERN wykorzystano magnesy nadprzewodnikowe Elementy nadprzewodza ce zostały wykonane ze stopu NbTi.

93 5. Medycyna obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) Zasade działania rezonansu magnetycznego opracowano już dawno temu. Dopiero jednak od 1977 roku udało sie uzyskać metody obróbki danych (skanowania) dzie ki zastosowaniu komputerów. Na świecie jest użytkowanych ponad 20 tys. tego rodzaju urza dzeń Najważniejsza cze ścia urza dzenia jest magnes, który uzyskuje sie wskutek przepływu pra du przez zwoje nadprzewodza ce. Dzie ki temu można łatwo sterować nate żeniem pola i uzyskiwać odpowiedni przestrzenny rozkład.

94 5. Medycyna magnetoencefalografia (MEG) Zasade działania rezonansu magnetycznego opracowano już dawno temu. Dopiero jednak od 1977 roku udało sie uzyskać metody obróbki danych (skanowania) dzie ki zastosowaniu komputerów. Najnowsze urza dzenia technologii biomagnetycznej skonstruowane sa w oparciu o zastosowanie SQUID-ów (interferencji pra dów Josephsona). Urza dzenia te sa tak dokładne, że wyczuwaja pola magnetyczne miliard razy słabsze od pola potrzebnego do poruszenia igły w kompasie. Ta nieinwazyjna metoda nie wymaga bezpośredniego kontaktu z pacjentem.

95 5. Medycyna magnetokardiografia (MCG) Zasade działania rezonansu magnetycznego opracowano już dawno temu. Dopiero jednak od 1977 roku udało sie uzyskać metody obróbki danych (skanowania) dzie ki zastosowaniu komputerów. Bardzo czułe interferometry SQUID służa również do śledzenia pra dów elektrycznych, steruja cych praca mie śni serca. Ta nieinwazyjna metoda ma duża przewage nad tradycyjnymi sposobami EKG.

96 6. Gradiometria pomiary pól grawitacyjnych Interferometry SQUID też pośrednio sa wykorzystywane w gradiometrach grawitacyjnych. Bardzo precyzyjne żyroskopy z wbudowanymi interferometrami SQUID stosowano w próbach pomiarów efektów zwia zanych z zakrzywieniem przestrzennoczasowym w pobliżu Ziemi. W badaniach kosmologicznych dotycza cych tzw. ciemnej materii oraz ciemnej energii (95 % Wszechświata) również używane ultraprecyzyjne sa detektory podła czone do cewek z wbudowanymi SQUID-ami.

97 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle

98 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle Japonia Pierwsza testowa linie lewituja cych pocia gów firmy Yamanashi otwarto w 1996 roku. Efekt lewitacji został uzyskany Dzie ki wytworzeniu pola magnetycznego w zwojach nadprzewodnikowych.

99 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle W 2003 roku pocia g Maglev złożony z 3 wagonów osiagna ł rekordowa pre dkość: 581 km/h

100 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle Szanghaj, Chiny Regularna linia MAGLEV (30 km) obsługuje obecnie pasażerów podróżuja cych z Szanghaju do lotniska Pudong jest to wspólna inwestycja niemiecko-chińska.

101 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle Szanghaj (Chiny) Cennik przejazdów: 6 $ bilet normalny 12 $ pierwsza klasa

102 8. Antygrawitacja zastosowania w terapii

103 8. Antygrawitacja zastosowania w terapii