Helmut Kinder

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Supraleiter-von der Wissenschaft zur Technologie

• Helmut Kinder

Technische Universität München, D-85747 Garching,
und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching
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Inhalt

• Was ist Supraleitung?
• Wie funktioniert sie?
• Schnellkurs in Quantenmechanik
• Supraleiter als klassische Welle
• BCS-Theorie
• bei Anwendungen wird es kritisch
• der erste Durchbruch Supraleiter 2. Art
• große Magnetspulen
• die Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL)
• Leiter und Dünne Schichten aus HTSL
• Neueste Trends
• Schlussbemerkung

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Was sind Supraleiter?

• Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand

• Bewegung der Elektronen ohne Reibung

• Dauerströme im Experiment Schwebeversuch

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Mit Kamerlingh Onnes fing alles an

• 1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269C)

• 1911 Entdeckung der Supraleitung

• 1913 Nobelpreis

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Entwicklung der Sprungtemperatur
"Hochtemperatur"- Supraleiter
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Wie funktioniert Supraleitung?

• die klassische Physik versagt!

• Erklärung nur durch Quantenmechanik

• Supraleitung ist die Spielwiese der QM

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Schnellkurs in Quantenmechanik

• Huygens 1691 Licht-Wellen

• Newton 1704 Licht-Teilchen

• Planck 1900 Licht-Quanten E h?

• Heisenberg es gib überhaupt keine Teilchen oder
  Wellen !
• dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten

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Beugung am Regenschirm
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Beugungs-Experimente mit Quanten
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Elektronen im Supraleiter

• Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren

"Cooperpaare"

• alle Paare zusammen bilden klassische Welle

" Makroskopischer Quantenzustand "
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Wellen auf dem Ring
n1
n2

• d. h. der Fluss ist "quantisiert" F n F 0

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Flussquantisierung Experiment
Doll und Näbauer München 1961
erster Beweis für Paare!
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Josephson-Effekt

• 2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren

• Superconducting QUantum Interference Device,
  SQUID

• empfindlichstes Messinstrument überhaupt

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Die Paar-Anziehungskraft

• "gleichnamige Ladungen stoßen sich ab"

- gilt nicht im Festkörper!
"Matratzenbild"

• klassische SL Gitterdeformation

• HTSL magnetische Wechselwirkung

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BCS-Theorie

• Paare sind miteinander "verzahnt"

? wegen Pauliprinzip

• Strom Bewegung aller Paare "im Gleichschritt"

• Paare sind gemeinsam stark Suprastrom !

Demonstration dazu
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bei Anwendungen wird es kritisch

• SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen !

• Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu
  begrenzt

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Ursache der Meissner-Effekt
Walther Meissner

• Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe
  verdrängt

• sonst kein SL Zustand möglich

• Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld
  immer mehr

• irgendwann geht dem SL "die Luft aus"
  kritische Feldstärke

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Die Supraleiter zweiter Art

• das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt

• SL bildet Flussquanten

• weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie

• Kritische Feldstärke erhöht sich stark

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Kritische Felder von SL 2. Art
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der erste technische Durchbruch

• "Stabilisierung" bringt technische Reife

• NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu
  Drähten ziehen

Vieldraht-Leiter 14 000 Einzeldrähte NbTi in
CuNi-Hülle
20x
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Beschleuniger-Magnete
Hera-Tunnel, DESY, Hamburg 4,7 Tesla 6,3km
LHC-Projekt, Genf 1200 Dipolmagnete 8,6T je 15m,
24t (bis 2005)
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CERN
8,6km
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Magnetresonanz-Tomographie

• MRT hat größten Marktanteil bei
  Supraleiter-Produkten

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NMR-Spektroskopie
Kernspin-Resonanz bei 900 MHz/21Tesla für
chemische Analyse
mit Nb3Sn-Spule für höchste Magnetfelder
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"Hochtemperatur"-Supraleiter

• 1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4

A. Müller Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987
W. Bednorz
A. Müller
Nobelpreis Ende 1987

• 1987 Supraleiter mit Tc gt 90 K

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Die wichtigsten HTSL

• YBa2Cu3O7 (YBCO oder Y-123) 93 K

• Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K

• Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K

• HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K

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Erweiterte Grenzen
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Herstellung von BSCCO-Leitern
Pulver-Herstellung
Bolzen versiegeln
Draht ziehen
Teil 1 Rohling herstellen
neu bündeln
neu ziehen
flach walzen
Wärmebehandlung
Teil 2 Metallurgie
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BSCCO-Leiter
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Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht
(Pirelli American Superconductor)
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MRT-Spule aus BSCCO-Draht
offenes System für seitlichen Zugang (Operationen
)
(Siemens Oxford Instruments)
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YBCO Dünnschichten

• kostengünstig durch Vielfach-Prozess

• hohe Qualität und Reproduzierbarkeit

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Filter aus YBCO-Dünnschichten

• Mobilfunk - Stationen

• Satelliten - Kommunikation

(Bosch/AstriumTHEVA)
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Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten
schnelle Absicherung in der Energietechnik
erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen
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Wirkungsweise von Strombegrenzern
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THErmal EVAporation THEVA GmbH
gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter

• Produkte
• YBCO Filme
• Beschichtungsanlagen
• Jc-Scanner

• FE
• Bandbeschichtung
• Energietechnik-Anwendungen
• Mikrowellen

www.theva.com
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Neuere Entwicklung MgB2

• einfache Verbindung

• Standard-Chemikalie

"Matratze"
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Schlussbemerkung

• Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik

• "klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt

• "Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich

• Die SL sind immer gut für Überraschungen

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(No Transcript)