Lublin, 23 X 2012 r. Nadprzewodnictwo. - od badań podstawowych do zastosowań. Tadeusz Domański Instytut Fizyki UMCS

Transkrypt

1 Lublin, 23 X 2012 r. Nadprzewodnictwo - od badań podstawowych do zastosowań Tadeusz Domański Instytut Fizyki UMCS

4 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat?

5 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze:

6 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badania przyznano już 5 Nagród Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób)

7 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badania przyznano już 5 Nagród Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób) Aspekty technologiczne:

8 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badania przyznano już 5 Nagród Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób) Aspekty technologiczne: nowe technologie m.in. w transporcie, medycynie itp.

9 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badania przyznano już 5 Nagród Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób) Aspekty technologiczne: nowe technologie m.in. w transporcie, medycynie itp. Aspekty ekonomiczne:

10 Nadprzewodnictwo dlaczego taki temat? Aspekty poznawcze: za badania przyznano już 5 Nagród Nobla z fizyki (w sumie dla 10 osób) Aspekty technologiczne: nowe technologie m.in. w transporcie, medycynie itp. Aspekty ekonomiczne: olbrzymie oszcze dności w wydatkach na energetyke

11 Aspekty ekonomiczne istotne fakty Na rynkowa cene energii elektrycznej składaja sie :

12 Aspekty ekonomiczne istotne fakty Na rynkowa cene energii elektrycznej składaja sie : koszty produkcji,

13 Aspekty ekonomiczne istotne fakty Na rynkowa cene energii elektrycznej składaja sie : koszty produkcji, koszty przesyłania.

14 Aspekty ekonomiczne istotne fakty Na energii elektrycznej sie : rynkowa cene składaja koszty produkcji, koszty przesyłania. Straty w przesyłaniu energii około 7 procent. wynosza

15 Aspekty ekonomiczne istotne fakty Na energii elektrycznej sie : rynkowa cene składaja koszty produkcji, koszty przesyłania. Straty w przesyłaniu energii około 7 procent. wynosza Dzie ki zastosowaniu nadprzewodników można zredukować te straty do zera!

16 Nadprzewodniki futurystyczne perspektywy

17 Nadprzewodniki futurystyczne perspektywy Energie można byłoby przesyłać np. od solarów rozmieszczonych na Saharze.

18 Opór elektryczny istota zjawiska

19 Opór elektryczny istota zjawiska Pod wpływem zewne trznych pól (elektrycznego lub magnetycznego) elektrony walencyjne sa zmuszone do przemieszczania.

20 Opór elektryczny istota zjawiska Ruch elektronów odbywa sie w sieci jonów ulegaja c różnym procesom rozpraszania, co przejawia sie makroskopowo jako opór.

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

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

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

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

25 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C

26 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m

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

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

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

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

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

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

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

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

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

36 Opór elektryczny przykłady w temperaturze 20 o C miedź 1, Ω m. aluminium 2, Ω PRZEWODNIKI 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!

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

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

39 Odkrycie nadprzewodnictwa

40 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.

41 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]

56 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.

57 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

58 Nadprzewodniki efekt Meissnera

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

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

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

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

65 Nadprzewodniki kolejne odkrycia

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

67 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

68 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

69 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem

70 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez niemal 50 lat nie potrafiono wyjaśnić mechanizmu odpowiedzialnego za stan nadprzewodza cy. Problemem tym zajmowali sie tacy wybitni naukowcy, jak:

71 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez niemal 50 lat nie potrafiono wyjaśnić mechanizmu odpowiedzialnego za stan nadprzewodza cy. Problemem tym zajmowali sie tacy wybitni naukowcy, jak: R. Feynman

72 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez niemal 50 lat nie potrafiono wyjaśnić mechanizmu odpowiedzialnego za stan nadprzewodza cy. Problemem tym zajmowali sie tacy wybitni naukowcy, jak:. R. Feynman W. Heisenberg

73 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez niemal 50 lat nie potrafiono wyjaśnić mechanizmu odpowiedzialnego za stan nadprzewodza cy. Problemem tym zajmowali sie tacy wybitni naukowcy, jak:.. R. Feynman W. Heisenberg N. Bohr

74 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez niemal 50 lat nie potrafiono wyjaśnić mechanizmu odpowiedzialnego za stan nadprzewodza cy. Problemem tym zajmowali sie tacy wybitni naukowcy, jak:.. R. Feynman W. Heisenberg N. Bohr A. Einstein

75 Zagadka nadprzewodnictwa problemy z wyjaśnieniem Przez niemal 50 lat nie potrafiono wyjaśnić mechanizmu odpowiedzialnego za stan nadprzewodza cy. Problemem tym zajmowali sie tacy wybitni naukowcy, jak:.. R. Feynman W. Heisenberg N. Bohr A. Einstein No one is smart enough to explain it R. Feynman

76 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty

77 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu nadprzewodnictwa (klasycznego) miały naste puja ce fakty:

78 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu nadprzewodnictwa (klasycznego) miały naste puja ce fakty: doświadczalne odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c 1 M M - masa jonów

79 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu nadprzewodnictwa (klasycznego) miały naste puja ce fakty: doświadczalne odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c 1 M M - masa jonów teoretyczne obliczenia H. Fröhlicha (1950 r.)

80 Istota nadprzewodnictwa pomocne fakty Kluczowe znaczenie dla zrozumienia mechanizmu nadprzewodnictwa (klasycznego) miały naste puja ce fakty: doświadczalne odkrycie efektu izotopowego (1950 r.) T c 1 M M - masa jonów teoretyczne obliczenia H. Fröhlicha (1950 r.) Pod wpływem drgań sieci krystalicznej elektrony przycia gaja sie!

81 Mikroskopowa teoria 1957 r.

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

83 Nadprzewodnictwo pary elektronów

84 Nadprzewodnictwo pary elektronów Elektrony we druja ce w drgaja cej sieci krystalicznej ła cza sie w pary.

85 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne

86 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego:

87 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego: elektrony ła cza sie w pary Coopera

88 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego: elektrony w pary Coopera ła cza sie i kolektywnie na zewne trzne zaburzenia reaguja

89 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego: elektrony ła cza sie w pary Coopera i reaguja kolektywnie na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!)

90 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego: elektrony ła cza sie w pary Coopera i reaguja kolektywnie na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Taki kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za:

91 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego: elektrony ła cza sie w pary Coopera i reaguja kolektywnie na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Taki kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za: idealne przewodnictwo (ruch bez rozpraszania)

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

93 Nadprzewodnictwo jako zjawisko emergentne W pobliżu powierzchni Fermiego: elektrony ła cza sie w pary Coopera i reaguja kolektywnie na zewne trzne zaburzenia (jak gigantyczny superatom identycznych obiektów!) Taki kondensat par Coopera jest odpowiedzialny za: idealne przewodnictwo idealny diamagnetyzm (ruch bez rozpraszania) (efekt Meissnera) inne nowe zjawiska (pra dy Josephsona, wiry kwantowe itp.)

94 Efekt Josephsona pra d par Coopera

95 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.

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

97 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć

98 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.

99 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.

100 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe nowa epoka odkryć

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

102 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

103 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

104 Nadprzewodnictwo zwia zków żelaza współczesność

105 Nadprzewodnictwo zwia zków żelaza współczesność

106 Zestawienie od epoki kamienia do epoki żelaza

107 5. Zastosowania nadprzewodników

108 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego

109 1. Linie przesyłowe pra du stałego/zmiennego Long Island Power Authority (AmSC, USA)

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

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

112 2. Bezpieczniki/ograniczniki pra du stałego/zmiennego Nexan SuperConductors (Niemcy) Nadprzewodnikowe bezpieczniki umożliwiaja wyła czenie pra du podczas zwarcia. Automatyczne odblokowanie sieci naste puje po upływie około 1/60 sekundy.

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

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

115 3. Silniki do nape du statków Nape d statków pasażerskich oraz wojskowych be dzie zasta piony silnikami elektrycznymi wykonanymi z nadprzewodników wysokotemperaturowych.

116 3. Silniki do nape du statków Nape d statków pasażerskich oraz wojskowych be dzie zasta piony silnikami elektrycznymi wykonanymi z nadprzewodników wysokotemperaturowych. American Superconductors Corporation (USA) Takie silniki sa 3-krotnie mniejsze od konwecjonalnych oraz lżejsze i cichsze.

117 4. Magnesy pola stałego

118 4. Magnesy pola stałego W akceleratorze LHC wykorzystano magnesy nadprzewodnikowe ze stopu NbTi CERN (Szwajcaria/Francja)

119 5. Medycyna obrazowanie rezonansem magnetycznym (MRI) Najważniejsza cze ścia urza dzenia jest magnes, w którym pole magnetyczne uzyskuje sie dzie ki przepływowi pra du przez zwoje nadprzewodza ce. W ten sposób łatwo kontroluje sie nate żenie pole niezbe dne do obrazowania. Na świecie jest użytkowanych ponad 20 tys. tego rodzaju urza dzeń

120 5. Medycyna magnetoencefalografia (MEG) Najnowsze urza dzenia technologii biomagnetycznej skonstruowane sa w oparciu o zastosowanie SQUID-ów (interferencji pra dów Josephsona). Urza dzenia sa tak dokładne, że wyczuwaja pola magnetyczne miliard razy słabsze od pola poruszaja cego igłe w kompasie. Dzie ki SQUID-om możliwa jest nieinwazyjna metoda tomografii

121 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.

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

123 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle W 1996 roku uruchomiono pierwsza linie lewituja cych pocia gów firmy Yamanashi. MAGLEV (Japonia)

124 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle Testowy pocia g Maglev osiagna ł w 2003 roku rekordowa pre dkość 581 km/h

125 7. Lewituja ce pocia gi MAGLEV = Magnetically Levitated Vehicle Od 2027 r. linia be dzie obsługiwała regularne poła czenia na trasie Tokyo Osaka.

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

130 Podsumowanie

131 Podsumowanie

132 Podsumowanie