Nadprzewodniki wysokotemperatu rowe. I nie tylko.

Transkrypt

1 Nadprzewodniki wysokotemperatu rowe. I nie tylko.

2 Odkrycie nadprzewodnictwa: H. Kamerlingh Onnes (1911)

3 Table from Burns Pierwiastki

4 Li: pierwiastek o najwyższej T c K. Shimizu et al., Nature 419, 597 (2002). News and Views by Ashcroft, Nature 419, 571 (2002). the behaviour of dynamical ele-ele interaction and in particular of the Coulomb pseudopotential

5 Żelazo Shimizu et al., Nature 412, 316 (2001).

6 Materiały nadprzewodzące Classification Materials T c (K) Remarks Związki międzymetaliczne i stopy związki zawierające tzw. ciężkie fermiony Nb 1-x Ti x alloy Nb 3 Sn ErRh 4 B 4 HoMo 6 S 8 RNi 2 B 2 C CeCu 2 Si 2 UPt 3 CeCoIn 5 UGe < used for sc magnets up to 11 T A-15, used for magnets up to 22 T Chevrel-phase borocarbides d-wave p- or f-wave coexistence of FM and SC

7 Związki typu A15: b c a Nb3Ge, A15 Ge-4 Nb+1.33

8 Fazy Chevrela: b c a Np. ErRh 4 B 4 HoMo 6 S 8 Sn+4 Mo+2 S-2

9 Słynny MgB2

10 Materiały nadprzewodzące Classificati on Materials T c (K) Remarks Tlenki SrTiO 3-δ Ba(Pb, Bi)O 3 LiTi 2 O 4 Sr 2 RuO perovskite, low carrier density perovskite spinel layered perovskite, p-wave HTC Cuprates (La,Ba) 2 CuO 4 YBa 2 Cu 3 O 7 HgBaCuO d-wave

11 Nadprzewodniki wysokotemperaturowe

12 Tlenki o niskiej i wysokiej temperaturze krytycznej: c c a a b b La2CuO4 Sr2RuO4 La+3 Sr+2 Cu+2 O-2 O-2 Ru+4

13 Główne nadprzewodniki wysokotemperaturowe i ich T c Compound T b liquid nitrogen 0 50 T c (K) Hg-1223 Tl-2223 Tl-1223 Bi-2223 Y-123 Bi-2212 YBa 2 Cu 3 O 7-x Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+x (Bi,Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x TlBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9+x Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10+x HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8+x (Y-123) (Bi-2212) (Bi-2223) (Tl-1223) (Tl-2223) (Hg-1223) Courtesy of S. Zannella, Edison - Milano

14 Główne nadprzewodniki wysokotemperaturowe i ich struktura krystaliczna YBa 2 Cu 3 O 7 La 2-x Sr x CuO 4 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8

15 Pierwszy naprawdę wysokotemperaturowy nadprzewodnik. Najlepiej zbadany i znany Maw-Kuen Wu, Paul Chu Houston i Alabama, USA YBa 2 Cu 3 O 7 (YBCO) T K =92K

16 Tlenek kobaltu dołącza do grona nadprzewodników: Na 0.35 CoO 2.1.3H 2 O*, T c ~5k 2D warstwy CoO 2 oddielone od siebie grubymi, izolującymi warstwami jonów Na+ i molekuł H 2 O. *Nature 422,53-55 (2003)

17 Materiały nadprzewodzące Classificati on Materials T c (K) Remarks Organics and others (TMTSF) 2 ClO 4 (BEDT- TTF) 2 Cu(NCS) Q1D Q2D, d-wave Rb 3 C 60 (Na 2 Ba 6 )Si 46 Fullerane, s-wave Si-clathrates, s-wave

18 Istnieje mnóstwo nadprzewodników organicznych. (BEDT-TTF) 2 I 3

19 Domieszkowane fullereny b ca C+0

20 Si-clathrate y

21 Skąd się bierze nadprzewodnictwo?

22 Twórcami teorii nadprzewodnictwa (konwencjonalnego) są: John Bardeen Leon N. Cooper John Robert Schrieffer

23 Skąd się bierze nadprzewodnictwo? Przyczyną powstania nadprzewodnictwa jest jakieś oddziaływanie pomiędzy elektronami, które prowadzi do tego, że ELEKTRONY SIĘ PRZYCIĄGAJĄ.

24 Skąd się bierze nadprzewodnictwo? W metalach jest to oddziaływanie z siecią krystaliczną (oddziaływanie elektron-fonon).

25 Skąd się bierze nadprzewodnictwo? W nadprzewodnikach wysokotemperaturowych: oddziaływanie magnetyczne? spiny? mimo wszystko oddziaływanie z siecią? jeszcze coś innego?

26 Skąd się bierze nadprzewodnictwo? W rezultacie, dzięki przyciąganiu, elektrony tworzą pary: pary Coopera. Wszystkie pary Coopera w nadprzewodzącym materiale mają taką samą energię. Para jako całość nie może ani zyskać ani stracić energii. Parę można tylko rozerwać, a wtedy nie będzie już nadprzewodnictwa.

27 Skąd wynika zerowy opór? Wiemy,że opór metali wynika z oddziaływania elektronów z drganiami sieci krystalicznej (następuje zmiana kierunku ruchu elektronu, czyli ograniczenie prądu elektrycznego). W nadprzewodniku oddziaływanie elektronu z drganiami sieci prowadzi do powstania pary Coopera. Teraz: elektron zmienia kierunek prędkości, ale para Coopera nie!!!

28 R=0 Opór (dla prądu stałego) jest naprawdę równy zeru. Jeżeli w pierścieniu nadprzewodzącym wzbudzimy prąd to będzie on płynął na pewno dłużej niż będziemy w stanie mierzyć. Stała czasowa zaniku prądu: I t = τ I0e, τ 10 5 lat

29 Poniżej temperatury krytycznej materiał nadprzewodzi. To znaczy, że: Jego opór elektryczny jest równy zeru, ale... Dotyczy to tylko prądu stałego i zmiennego o małej częstotliwości, mniejszego niż prąd krytyczny i najlepiej bez pola magnetycznego.

30 Dlaczego prąd może zniszczyć nadprzewodnictwo? Elektrony w parze są ze sobą związane. Żeby je od siebie oddzielić potrzebna jest energia: gdy dostarczymy wystarczającą energię nadprzewodnikowi (ogrzejemy go, przepuścimy za duży prąd, naświetlimy promieniowaniem, itd.), wówczas rozerwiemy pary Coopera i materiał zacznie zachowywać się zwyczajnie.

31 Jak nadprzewodnik oddziałuje z polem magnetycznym? Zwykły metal Nadprzewodnik

32 Jak nadprzewodnik oddziałuje z polem magnetycznym? Nadprzewodnik jest idealnym diamagnetykiem: wypycha pole magnetyczne ze swojego wnętrza. Efekt Meissnera Ochsenfelda (Walther Meissner i Robert Ochsenfeld, 1933)

33 Nadprzewodnik to nie jest tylko idealny przewodnik!

34 Jak nadprzewodnik oddziałuje z polem magnetycznym? Dwa typy zachowań nadprzewodnika w polu magnetycznym:

35 Na czym polega częściowe wnikanie pola magnetycznego: Widok z góry Superconductor Kwant strumienia pola magnetycznego (wir, worteks) Superconductor

36 Zdjęcie worteksów:

37 Pole krytyczne Jak nadprzewodnik oddziałuje z polem magnetycznym? Istnieje pole magnetyczne, które niszczy stan nadprzewodzący: pole krytyczne

38 Podsumowanie: główne cechy nadprzewodników i stanu nadprzewodzącego.

39 Temperatura krytyczna: temperatura poniżej której materiał nadprzewodzi ρ[ωcm] T [K]

40 0K Ciekły hel 4K Ciekły azot 77K Temperatura pokojowa 300 K Konwencjonalne nadprzewodniki 0 40 K Wysokotemperaturowe nadprzewodniki K

41 Temperatura krytyczna: temperatura poniżej której materiał nadprzewodzi.

42 Gęstość prądu krytycznego (j c ): prąd, który niszczy nadprzewodnictwo. Uwaga: gęstość prądu jest to natężenie prądu podzielone przez pole przekroju poprzecznego przewodnika. Prąd krytyczny zależy od temperatury. Jest to bardzo ważna, z praktycznego punktu widzenia, cecha nadprzewodnika. j c Nadprzewodnik Normalny metal T c T

43 Pola krytyczne niektórych nadprzewodników wysokotemperaturowych:

44 Prąd krytyczny. Prąd krytyczny bardzo zależy od mikrostruktury. Mikrostruktura z kolei zależy od technologii wytwarzania materiału. Zaczniemy, zatem, od technologii.

45 Prąd krytyczny BSCCO Duża anizotropia - problem Jc of Bi-2223 tapes from magnetisation technique. Data from L. Martini, CESI, Milano

46 Prąd krytyczny BSCCO: 2223 J c (77 K, 0 T) di nastri multifilamentari di Bi-2223 J c (ka/cm 2 ) < 10 cm > 10 m > 100 m > 1 km lunghezza Courtesy of S. Zannella, Edison - Milano ASC IGC Sumitomo Siemens

47 ZASTOSOWANIA

48 Najbardziej już rozpowszechnione zastosowanie nadprzewodników (niekoniecznie wysokotemperaturowych) to wytwarzanie i pomiar pola magnetycznego.

49 Elektromagnesy. Aby wytworzyć pole magnetyczne o indukcji 9T potrzebny jest prąd 13000A! W normalnym drucie wydzieli się przy tym olbrzymia ilość ciepła: Chłodzenie; Wielkie straty energii; Wielkie problemy konstrukcyjne. JEDYNE ROZWIĄZANIE TO NADPRZEWODNIKI

50 Elektromagnesy. Stare nadprzewodniki stosuje się już w tym celu od kilkudziesięciu lat SC Nb-Ti Nb 3 Sn Indukcja 8 [T] 17 [T]

51 Elektromagnesy. Nowe nadprzewodniki zbyt szybko nie wyprą z rynku starych, ale.. Cryocooled magnet capable of 8 T at 8 K (left) and a series of them, with different size and fields (max 15 T), ready to be shipped. Courtesy of Cryogenic Ltd, London

52 Precyzyjny pomiar indukcji pola magnetycznego: SQUID Superconducting Quantum Interference Device

53 SQUID SQUID jest to pierścień złożony z dwóch nadprzewodników przedzielonych warstwami izolatora. Złącza (warstwy izolatora) są bardzo cienkie i prąd nadprzewodzący może przez nie tunelować. Do wnętrza pierścienia może wnikać pole magnetyczne (tylko kwanty strumienia=fluksony).

54 SQUID Zmiana pola magnetycznego wewnątrz pierścienia powoduje zmianę płynącego prądu. Fluksony są baaardzo małe, w związku z tym SQUID jest bardzo czułym miernikiem pola magnetycznego.

55 Kable przesyłowe Korzyść z zerowego oporu jest oczywista, ale problemem jest chłodzenie kabla nadprzewodzącego: jest to kosztowne i technicznie trudne. Mimo to, istnieją już próbne instalacje: od 2001 Carrollton, Georgia - 3 instalacje; Kopenhaga klientów 2002 Tokio trzeci projekt Detroit, Michigan klientów; Paryż, Francja

56 Zastosowania w elektronice. Tranzystor polowy; Pamięci; Rozmaite szybkie przełączniki;

57 Zastosowania elektrotechniczne 1,E+07 Jc (A/ cm 2 ) 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E Bi-2223 a 77 K YBCO a 77 K NbTi a 4,2 K Bi-2223 a 4,2 K Nb 3 Sn a 4,2 K B (T) 1 cavi, limitatori trasformatori 2 motori,generatori, RM 3 SMES Courtesy of S. Zannella, Edison, Milan.

58 Silniki

59 MAGLEV.