Spis treści 1 Historia nadprzewodnictwa Pierwsze osiagnięcia dr inż. Ireneusz Owczarek CMF PŁ ireneusz.owczarek@p.lodz.pl http://cmf.p.lodz.pl/iowczarek 2013/14 2 Wstęp Podstawowe własności Rodzaje nadprzewodnictwa 3 Fluxon Zjawiskiem Josephsona Możliwe zastosowania 4 Przesył energii 1 dr inż. Ireneusz Owczarek 2 dr inż. Ireneusz Owczarek Historia nadprzewodnictwa Historia nadprzewodnictwa Pierwsze osiagnięcia Historia nadprzewodnictwa Historia nadprzewodnictwa... Pierwsze osiagnięcia W 1908 roku Heike Kamerlingh-Onnes skroplił hel, w 1911 roku, w Lejdzie, odkrył nadprzewodnictwo. Nagrodę Nobla otrzymał w 1913 roku. W 1933 roku Walther Meissner i Robert Ochsenfeld dokonali odkryli zjawisko usuwania z ich wnętrza pola magnetycznego. W roku 1950 Witalij Ginzburg (Nagroda Nobla w 2003 roku) i Lew Landau (Nagroda Nobla w 1962) opublikowali teorię nadprzewodnictwa oparta na podstawach fenomenologicznej teorii przejść fazowych (sformułowanej wcześniej przez Landaua). W 1986 roku K. A. Müller i J. G. Bednorz odkryli nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe. W 1991 roku R. Curlow, R. Smalleyow i H. Kroto odkryli nowa odmianę węgla, tzw. fullereny, które domieszkowane metalami alkalicznymi wykazuja nadprzewodnictwo. 3 dr inż. Ireneusz Owczarek 4 dr inż. Ireneusz Owczarek
Historia nadprzewodnictwa Historia nadprzewodnictwa... Pierwsze osiagnięcia Definicje Wstęp Odkrycie Müllera i Bednorz zapoczatkowało burzliwy okres poszukiwania nadprzewodników wysokotemperaturowych. Wg Encyklopedii, zjawisko zaniku oporu elektrycznego obserwowane w niektórych metalach, ich stopach oraz w pewnych spiekach ceramicznych. Materiał, dla którego zachodzi zjawisko nadprzewodnictwa, nazywany jest nadprzewodnikiem. to pewne szczególne połaczenie własności elektrycznych i magnetycznych, które uwidaczniaja się w niektórych substancjach po ich ochłodzeniu poniżej temperatury charakterystycznej: zaniku oporu elektrycznego (R = 0Ω), zaniku indukcji magnetycznej wewnatrz nadprzewodnika (B = 0T ), kwantowania strumienia magnetycznego w nadprzewodniku. 5 dr inż. Ireneusz Owczarek 6 dr inż. Ireneusz Owczarek Definicje... Wstęp Wstęp Czy opór nadprzewodnika spada rzeczywiście do zera? Przejście do stanu nadprzewodnictwa następuje przy charakterystycznej dla danej substancji temperaturze nazywanej temperatura krytycznat c. W czystej i doskonałej pod względem fizycznym próbce, przejście do stanu nadprzewodnictwa może być niezwykle ostre. Metoda pomiaru oparta na JRM. Obserwacje Karmerlingh Onnesa oraz dodatkowy rysunek dla cyny a - monokryształ, b - forma gruboziarnista, c - forma drobnoziarnista polikrystaliczna Doświadczenie S. C. Collinsa Prad elektryczny płynał bez zmian w nadprzewodzacym pierścieniu z ołowiu przez ponad 950 dni. Czas zaniku pradu w stanie nadprzewodzacym nie jest krótszy niż 10 lat. Oszacowany opór właściwy był mniejszy niż4 10 25 Ωm. Jest to wartość ok. 1017 razy mniejsza niż wynosi wartość oporu właściwego miedzi w temperaturze pokojowej. 7 dr inż. Ireneusz Owczarek 8 dr inż. Ireneusz Owczarek
Pierwiastki nadprzewodzace Wstęp Podstawowe własności Własności magnetyczne doskonałego przewodnika Doskonałe przewodniki pradu elektrycznego metale szlachetne: srebro, złoto, miedź, metale alkaliczne: sód i potas, nie sa nadprzewodnikami. Przykładowe temperatury krytyczne: Metal T c[k] Al 1,2 In 3,4 Sn 3,7 Hg 4,2 Ta 4,5 V 5,4 Pb 7,2 Nb 9,3 Stop T c[k] V 3Si 15,7 Nb 3Al 16,0 Nb 3Sn 18,3 Nb 3Ge 23,2 W roku 1933 Meissner i Ochsenfeld odkryli podstawowa cechę stanu nadprzewodzacego doskonały diamagnetyzm. Próbka znajdujaca się w polu magnetycznym, nie posiada wypadkowej indukcji magnetycznej. Wewnatrz metalu nadprzewodzacego zawszeb=0. Próbka chroni swe wnętrze przed wnikaniem strumienia przyłożonego pola. Zjawisko Meissnera Linie sił pola magnetycznego "wypychane" sa na zewnatrz nadprzewodnika (zamiast przechodzić przez jego wnętrze). 9 dr inż. Ireneusz Owczarek 10 dr inż. Ireneusz Owczarek Własności magnetyczne... Podstawowe własności Nadprzewodniki I rodzaju Rodzaje nadprzewodnictwa Nadprzewodniki I rodzaju wypychaja całkowicie strumień magnetyczny ze swojego wnętrza, natomiast nadprzewodniki II rodzaju zachowuja się tak tylko w słabym polu magnetycznym; w silnych polach strumień magnetyczny jest wypychany z ich wnętrzach tylko częściowo. Namagnesowanie nadprzewodnika zależy wyłacznie od aktualnych wartości przyłożonego pola i temperatury, a nie od kolejności ich następowania (jak w przypadku metali). Dostatecznie silne pole magnetyczne przyłożone do metalu nadprzewodzacego prowadzi do jego przejścia w stan normalny. Wartość krytycznego pola magnetycznego zależy od temperatury ] ( ) T 2 H c=h 0 [1 T c gdzie:h 0=H c dlat=0k. Gdy natężenie pola magnetycznego wzrośnie i osiagnie wartość krytyczna H c nadprzewodnik przechodzi do stanu normalnego. W czystych próbkach przejście to ma charakter odwracalny. 11 dr inż. Ireneusz Owczarek 12 dr inż. Ireneusz Owczarek
Rodzaje nadprzewodnictwa Nadprzewodniki I rodzaju... Rodzaje nadprzewodnictwa Nadprzewodniki II rodzaju W materiale powstaje siec równoległych rdzeni normalnych. Metal w stanie nadprzewodnictwa nie ma w swym wnetrzu strumienia magnetycznego, poniewaz kołowe prady powierzchniowe wytwarzaja namagnesowanie I, równe i przeciwnie skierowane do przyłoz onego pola, czyli I = Hp. Gdy pole osiagnie wartos c Hc, nadprzewodnik przechodzi w stan normalny i ujemne namagnesowanie znika. 13 dr inz. Ireneusz Owczarek 14 dr inz. Ireneusz Owczarek Rodzaje nadprzewodnictwa Nadprzewodniki II rodzaju... Oddziaływanie elektron-fonon Mikroskopowa teoria nadprzewodnictwa Prace Coopera dały poczatek teorii nadprzewodnictwa, która ogłosili wspólnie John Bardeen, Leon Cooper i Robert Schrieffer w 1957r. (tzw. teoria BCS). Dla elektronu emitujacego fonon: þ1 + þ q p þ1 = p Do wprowadzenia nadprzewodnika II rodzaju w stan mieszany niezbedne jest pewne minimalne natez enie przyłoz onego pola magnetycznego, tj. dolne pole krytyczne Hc1 (Hc1 < Hc ). Gdy natez enie pola osiagnie wartos c górnego pola krytycznego Hc2, to materiał przechodzi w stan normalny. dla drugiego elektronu w wyniku absorpcji: p þ2 + þ q=p þ2 gdzie: hνq. v Gdy róz nica energii elektronu przed i po wirtualnej emisji fononu: E1 E 1 < hνq q= to w rezultacie procesów emisji i absorpcji fononu wystapi przyciaganie miedzy dwoma elektronami. 15 dr inz. Ireneusz Owczarek 16 dr inz. Ireneusz Owczarek
Para Coopera Przerwa energetyczna Oddziaływanie elektron-sieć-elektron jest przyciagaj ace i może przezwyciężyć, kulombowskie odpychanie między elektronami. Czy można zaniedbać odpychanie kulombowskie między elektronami? TAK! ponieważ średnia energia kinetyczna gazu elektronowego jest duża w porównaniu z energia potencjalna odpychania. L. Cooper wykazał, że elektrony oddziaływajace poprzez drgania sieci daż a do utworzenia stanu zwiazanego o najniższej możliwej energii, przy czym ich spiny skierowane sa w przeciwnych kierunkach. Taki stan zwiazany nazywany jest odtad para Coopera. Obecność przerwy energetycznej ma dwa następstwa: po rozerwaniu pary znika ich energia wiazania. Odpowiada to rozszczepieniu molekuły na składowe atomy po dostarczeniu niezbędnej energii. stan pary ( p, p) jest nieosiagalny dla pozostałych par Coopera. Maleje liczba aktów rozpraszania, w których moga one uczestniczyć, co w konsekwencji zmniejsza ich energię wiazania. Wartość przerwy energetycznej w temperaturze 0K E g(0)=2 (0)=3,5kT c. a bliskot c (T) 3,2kTc 1 T. T c 17 dr inż. Ireneusz Owczarek 18 dr inż. Ireneusz Owczarek Przerwa energetyczna... Pary Coopera wnioski Kondensacja BCS Wszystkie pary Coopera znajduja się w takim samym stanie kwantowym o takiej samej energii. Jak wytłumaczyć bez-oporowy przepływ pradu elektrycznego w nadprzewodniku? W nadprzewodniku pary Coopera ulegaja nieustannym wzajemnym rozproszeniom, ale ponieważ ich sumaryczny pęd w tego rodzaju procesach zostaje zachowany, nie wpływa na przepływ pradu. Może to nastapić wyłacznie przy rozerwaniu pary, ale do jej rozerwania niezbędna jest energia równa co najmniej2, gdy energia ta zostanie dostarczona z zewnatrz. Elektrony zwiazane w parę nie biora udziału w procesie rozpraszania, czyli ich przepływ odbywa się bez tarcia. Para Coopera nie może energetycznie oddziaływać na jony, gdyż nie ma, z czego oddawać energii. Jednocześnie w temperaturze bliskiej0k energia drgań jonów jest tak mała, że nie wystarczy by rozbić pary Coopera. Dlatego elektrony moga poruszać się w metalu bez strat (co odpowiada stanowi nadprzewodnictwa). Ponadto istnienie przerwy energetycznej w stanie nadprzewodzacym wyklucza rozpraszanie par Coopera. Rozproszenie pary Coopera może nastapić w wyniku dostarczonej energii przekraczajacej wartość szerokości przerwy energetycznej. 19 dr inż. Ireneusz Owczarek 20 dr inż. Ireneusz Owczarek
Fluxon Przykłady słabych złacz Zjawiskiem Josephsona Strumień magnetyczny może zmieniać się tylko w określonych porcjach. Fluxon to kwant strumienia magnetycznego Φ h 0= 2e =2,0678 10 15 Wb. złacza SIS: izolator najczęściej tlenkowy, rozdziela dwie warstwy nadprzewodnikowe, złacza SNS, złacza punktowe między dwoma kawałkami nadprzewodnika: zwykle jest to zaostrzony drut nadprzewodzacy, powierzchniowo utleniony, dociśnięty do nadprzewodnika, mikromostki: silne zwężenia cienkiej warstwy nadprzewodnika. Zjawiskiem, które potwierdza kwantowy charakter strumienia magnetycznego w nadprzewodniku jest zjawisko Josephsona. Tunelowanie jest zjawiskiem kwantowym w którym elektrony przenikaja z jednego metalu do drugiego poprzez wask a barierę, jaka może stanowić cienka warstwa izolatora. 21 dr inż. Ireneusz Owczarek 22 dr inż. Ireneusz Owczarek Tunelowanie par Coopera Zjawiskiem Josephsona Nadprzewodnikowy interferometr kwantowy Zjawiskiem Josephsona nazywa się tunelowaniem par Coopera przez warstwę izolatora, z jednego nadprzewodnika do drugiego. Poczatkowo obserwowano na złaczach Josephsona o grubości1nm, oporze bariery 1Ω i przekroju poprzecznym1mm 2. Zjawiska zwiazane z tunelowaniem par Coopera Stałopradowe zjawisko Josephsona. Prad stały płynie przez złacze bez zewnętrznego pola elektrycznego i magnetycznego. Zmiennopradowe zjawisko Josephsona. Stałe napięcie przyłożone do złacza powoduje oscylacje o częstości radiowej pradu płynacego przez złacze. Makroskopowa interferencja kwantowa. Stałe pole magnetyczne przyłożone do obwodu nadprzewodzacego, zawierajacego dwa złacza Josephsona, wywołuje zjawisko interferencji pradu płynacego w tym obwodzie. Jeżeli strumień magnetyczny przenikajacy przez każde ze złacz jest zaniedbywany, a natężenie pradu krytycznego obu złacz ma taka sama wartośći 0, to całkowity prad płynacy przez ten obwód I=I 0(sinγ A+sinγ B) gdzieγ A=γ 0+π Φ Φ 0 iγ B=γ 0 π Φ Φ 0 sa odpowiednio różnica faz dla złacza A i B. Całkowity prad gdzie I=I max sinγ 0, I max=2i 0cos (π Φ ). Φ 0 23 dr inż. Ireneusz Owczarek 24 dr inż. Ireneusz Owczarek
Nadprzewodnikowy interferometr kwantowy... DopókiI<I max fazaφ 0 przyjmuje taka wartość, aby prad płynał bez strat przez nadprzewodnikowy interferometr kwantowy (Superconducting Quantum Interference Device). Jeśli powierzchnia pętli interferometru wynosi1cm 2, to strumień równyφ 0 odpowiada polu ob=2 10 11 T. I max przybiera największa wartość wtedy, gdy strumień wewnatrz pętli jest równy całkowitej liczbie fluksonów. Wykorzystywane to jest w przyrzadach umożliwiajacych niezwykle czuły pomiar zmian strumienia magnetycznego. 25 dr inż. Ireneusz Owczarek 26 dr inż. Ireneusz Owczarek Magnetometry Możliwe zastosowania Możliwe zastosowania Zastosowania pomiary nieniszczace materiałów (defektoskopia), pomiar fal grawitacyjnych, paleomagnetyzm, poszukiwania złóż, elektronika (precyzyjne przyrzady pomiarowe), wojskowość, biomagnetyzm. Najlepsze -y oparte na złaczach niobowych charakteryzuje czułość rzędu 1fT. W przypadku nadprzewodników wysokotemperaturowych osiagnięto czułość 0,6pT przy częstotliwości10hz w temperaturze77,4k. Elektrokardiografia Magneto-kardiografia Typy magnetometrów 1 Magnetometry strumieniowe, 2 Magnetorezystory, 3 Magnetyczne złacza tunelujace, 4 Magnetometry kwantowe (-y). Duża czułość -ów umożliwiła burzliwy rozwój badań w dziedzinie biomagnetyzmu. 27 dr inż. Ireneusz Owczarek 28 dr inż. Ireneusz Owczarek
... Możliwe zastosowania Zastosowanie nadprzewodnictwa Przesył energii Magnetometria kwantowa jest nieinwazyjna metoda diagnostyczna, dajac a bezpośrednia informacje o aktywności magnetycznej i elektrycznej ciała ludzkiego w czasie rzeczywistym. Elektroencefalografia Magneto-encefalografia Badania dotyczyły: spontanicznej aktywności mózgu oraz reakcji na efekty wizualne, którym poddawano pacjentów. Stwierdzono, że pole magnetyczne, wytwarzane spontanicznie przez mózg ludzki charakteryzuje się natężeniem rzędu8 10 8A m. 1 Transport dużych gęstości pradu: linie przesyłowe (straty energii od 30% do 50% przy użyciu standardowych kabli), silniki elektryczne, transformatory czystsza planeta, roczne oszczędności 250 mld USD w USA i 6 mld PLN w Polsce. 2 Wytwarzanie silnych pól magnetycznych (spektroskopia, medycyna, transport kolejowy). 3 Magazynowanie energii (stabilizatory mocy). 4 Ultraszybkie procesory do1000ghz (pierwszy procesor nadprzewodzacy1ghz powstał w 1988). 5 do detekcji ultra-małych pól magnetycznych. 29 dr inż. Ireneusz Owczarek 30 dr inż. Ireneusz Owczarek Zastosowanie nadprzewodnictwa... Przesył energii Przewody i druty nadprzewodzace Przesył energii Cechy stanowiace o przydatności nadprzewodników do celów technicznych: temperatury krytyczne, pola, prady krytyczne. Praktyczna reguła dla zastosowań nadprzewodników pożadane jest by temperatura krytyczna nadprzewodnika była dwukrotnie wyższa od temperatury pracy urzadzenia: T pracy Tc 2. Głównym problemem, podczas produkcji drutów nadprzewodzacych sa straty energii, zwiazane z pełzaniem strumienia magnetycznego (co może spowodować przegrzanie się i przejście do stanu normalnego). Dlatego druty projektuje się tak, aby odprowadzanie ciepła było zawsze szybsze niż jego wytwarzanie. Włókna nadprzewodzace musza mieć bardzo mała średnicę rzędu0,01mm. Najprostszy przewód nadprzewodzacy to pręt lub rura miedziana pokryta warstwa nadprzewodnika. Może to być również pokryta warstwa nadprzewodzac a taśma stalowa lub miedziana. Oznacza to, że potrzebne sa nadprzewodniki ot c 150K by można wykorzystać w urzadzeniach pracujacych w temperaturze ciekłego azotu. W przyrzadach elektronicznych T 2 pracy 3 Tc. 31 dr inż. Ireneusz Owczarek 32 dr inż. Ireneusz Owczarek
Przesył energii Przewody i druty nadprzewodzace... Magnesy nadprzewodzace Głównymi częściami elektromagnesu sa: solenoid, kriostat oraz zasilacz umożliwiajacy regulację pradu płynacego przez solenoid. Magnesy takie znajduja zastosowanie w sprzęcie laboratoryjnym w pomiarach własności magnetycznych, NMR, tomografii komputerowej, a także w ogromnych akceleratorach do zakrzywiania toru poruszajacych się czastek. Typowy drut nadprzewodzacynb 3Sn o średnicy1mm zawiera kilka tysięcy oddzielnych włókien nadprzewodzacych, o średnicy3 5µm, w matrycy z brazu (Cu-Sn). Taki układ włókien zapewnia dobra stabilność elektryczna, termiczna i mechaniczna drutu. 33 dr inż. Ireneusz Owczarek 34 dr inż. Ireneusz Owczarek Generatory i transformatory Nadprzewodzace soczewki wiazek elektronowych Gdy wiazka elektronów przechodzi przez tubus nadprzewodzacy, na skutek zjawiska Meissnera pole magnetyczne wytwarzane przez wiazkę jest odpychane od wewnętrznych ścian tubusa. Jeśli ściany tubusa zostana odpowiednio uformowane można zogniskować wiazkę tworzac w ten sposób tzw. soczewkę elektronowa. Jeśli ładunek porusza się po torze zakrzywionym emituje promieniowanie elektromagnetyczne o częstotliwości określonej przez kształt toru oraz prędkości poruszania się. Jeśli wiazka elektronów przechodzaca przez magnetyczny cylinder, ukształtowany wewnatrz tak, aby nadać wiazce ruch sinusoidalny, to otrzyma się tzw. wigler czyli urzadzenie do emitowania promieniowania elektromagnetycznego. Wiglery nadprzewodzace, wytwarzane sa z bizmutowych nadprzewodników wysokotemperaturowych (BISCO). 35 dr inż. Ireneusz Owczarek 36 dr inż. Ireneusz Owczarek
Łożyska nadprzewodzace MAGLEV Do konstrukcji łożysk nadprzewodzacych wykorzystuje się zjawisko lewitacji magnesu nad nadprzewodnikiem. Część stała łożyska można wykonać z nadprzewodnika YBCO, natomiast część wirujac a z magnesu stałego. Magnes, odpychany od nadprzewodnika siłami lewitacji, może się obracać z prędkościa dochodzac a do 135 000 obrotów/min. Łożyska takie cechuja się bardzo dobra stabilnościa oraz małymi stratami. Znajduja zastosowanie w wielu urzadzeniach np. w pompach próżniowych. Innym bardzo ciekawym zastosowaniem zjawiska lewitacji jest Japoński projekt MAGLEV, który polega na zastosowaniu lewitacji do budowy super szybkich pociagów unoszacych się nad powierzchnia torowiska. 37 dr inż. Ireneusz Owczarek 38 dr inż. Ireneusz Owczarek MAGLEV... Literatura podstawowa Japoński projekt MAGLEV (Magnetic Levitation Vehicle) powstał w 1977 roku. W 1987 roku pokonał prędkość400,8km/h, a w 1999 roku już rozwijał 552km/h. 39 dr inż. Ireneusz Owczarek Kania S. Wykłady z fizyki cz. 1 i 2. Wydawnictwo PŁ, Łódź 2012. Halliday D., Resnick R, Walker J. Podstawy Fizyki t. 1-5. PWN, Warszawa 2005. Orear J. Fizyka t. I i II. WNT, Warszawa 1994. Sawieliew I. W. Wykłady z fizyki t. I-III. PWN, Warszawa 1994. Strona internetowa prowadzona przez CMF PŁ http://cmf.p.lodz.pl/efizyka e-fizyka. Podstawy fizyki. Kakol Z. Żukrowski J. http://home.agh.edu.pl/ kakol/wyklady_pl.htm Wykłady z fizyki. 40 dr inż. Ireneusz Owczarek