supralei tfähigkeit
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r. Reines Metall. T c. Metall mit Verunreinigungen. T. 0.1 K. Supralei tfähigkeit. Elektrischer Widerstand. Die Sprungtemperatur (kritische Temperatur). a ist eine Materialkonstante (Isotopieverschiebung der Sprungtemperatur). Supraleitfähigkeit. Supraleitende Elemente:. T[K] - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Supraleitfähigkeit
T
Reines Metall
Metall mit Verunreinigungen
0.1 K
Tc
Elektrischer Widerstand
Die Sprungtemperatur (kritische Temperatur)
const. ca Tm
ist eine Materialkonstante (Isotopieverschiebung der Sprungtemperatur)
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Supraleitfähigkeit
Supraleitende Elemente:
T[K]Al 1.19Cd 0.56Ga 1.09Hg 4.00In 3.40Ir 0.14La 5.00Mo 0.92Nb 9.13Os 0.65Pb 7.19Re 1.70
T[K]Ru 0.49Sn 3.72Ta 4.48Tc 8.22Th 1.37Ti 0.39Tl 2.39U 0.68V 5.30Zn 0.87Zr 0.55
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Isotopieverschiebungconst. ca Tm
Material T[K]
Zn 0.87 0.45±0.05Cd 0.56 0.32±0.07Sn 3.72 0.47±0.02Hg 4.00 0.50±0.03Pb 7.19 0.49±0.02Tl 2.39 0.61±0.10
Material T[K]
Ru 0.49 0.00±0.05Os 0.65 0.15±0.05Mo 0.92 0.33Nb3Sn 18 0.08±0.02
Mo3Ir 0.33±0.03
Zr 0.55 0.00±0.05
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Supraleitfähigkeit
Im magnetischen Feld
T
HcNicht supraleitend
Supraleitend
Tc
2
2
0 1c
c T
THH
Temperaturabhängigkeit des kritischen magnetischen Feldes
4
1
40
4
HM
MHB
MHB
Supraleiter: Meissner-Effekt
Sonst: -10-6
5
Supraleiter im magnetischen Feld
84
1
4
1
04
2
00
a
BB
a
a
aa
BBdBBdMW
HM
MHB
HB
aa
Feld außen:Feld innen:
Magnetisierung:
Arbeit pro Volumeneinheit(Magnetisierung des Supraleiters entgegen der Feldrichtung)
Supraleiter im magnetischen Feld liegt energetisch höher als ohne Feld
Dies ist ein Beitrag der „supraleitenden“ Elektronen zu der Gesamtenergie
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Übergang „normal-supraleitend“
STGUB
BGU
ST
TSB
UG
TSUG
c
c
8
8
1
82
2
Thermodynamische Betrachtung
G … Gibbs-Potential (freie Enthalpie)U … EnthalpieT … TemperaturS … EntropieB … äußeres magnetisches Feld
T<Tc: U (und S) klein für SC, daher ist SC stabiler
T>Tc: S größer für „normal“ (geringere Ordnung), daher ist der „normale“ Zustand stabiler
B>0 : Freie Enthalpie ist kleiner, wenn S größer ist (Normalzustand)
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Supraleitfähigkeit
MaterialT[K]
NbC 14
NbN 16
Nb3Al 18
Nb3Ge 23
Nb3Sn 18
SiV3 17
MgB2 40
YBa2Cu3O7- 110 S.L. Bud’ko and P.C. Canfield: Temperature-dependent Hc2 anisotropy in MgB2 as inferred from measurements on polycrystals, Phys. Rev. B 65 (2002) 212501.
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Supraleiter
I. Art„Normale“ Leitfähigkeit hinter Hc
II. ArtSupraleitfähigkeit verschwindet allmählich zwischen Hc1 und Hc2
H
-M
Nicht supraleitend
Supraleitend
Hc H
-M
Hc
1
Hc
2
Hc
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Theorie(n) der Supraleitfähigkeit
Superelektronen: keine Streuung, die Entropie des Systems ist gleich null (perfekte Ordnung des Systems), große kohärente Länge
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London Theorie (Meissner-Effekt)Ej
Ohm: BAAc
jL
rot;
4 2London:
22
2
rot4
rotrot
4rot
4rot
L
L
BB
jc
B
jc
B
Bc
j
London:
Maxwell:
(statische Bedingungen)
Meissner Effekt:
Lösung:
L
xBxB
BxB
exp
konst
0
0
B
x
L … Londonsche Eindringstiefe
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Konsequenzen der London Theorie
L beschreibt die Eindringstiefe des magnetischen Feldes in das Material. In der Distanz L sinkt die Intensität des magnetischen Feldes auf 1/e.
Ein äußeres Magnetfeld Ba dringt ganz homogen eine dünne Schicht durch, wenn ihre Dicke viel kleiner als L ist. In solcher Schicht ist der Meissner Effekt nicht vollständig.
Das induzierte Feld (im Material) ist kleiner als Ba, daher ist das kritische, parallel zu den dünnen Schichten orientierte Magnetfeld sehr hoch.
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BCS Theorie der SupraleitfähigkeitJ. Bardeen, L.N. Cooper and J.R. Schrieffer, Phys. Rev. 106 (1957)
162.J. Bardeen, L.N. Cooper and J.R. Schrieffer, Phys. Rev. 108 (1957) 1175.1. Wechselwirkung zwischen Elektronen kann zu einem
Grundzustand der Elektronen führen, der von den aufgeregten elektronischen Zuständen durch eine Energielücke getrennt ist. Aber: es gibt auch Supraleiter ohne Energielücke!
E
E
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KohärenzlängeDer Abstand, auf dem sich die Breite der Energielücke im räumlich veränderlichen magnetischen Feld nicht wesentlich ändert.
rBrArAc
rjL
rot;
4 2London:
14
BCS Theorie der Supraleitfähigkeit
2. Die Energielücke entsteht aufgrund der Wechselwirkung zwischen Elektronen über die Gitterschwingungen (Phonon). Ein Elektron verzerrt das Kristallgitter, ein anderes Elektron „sieht“ das verzerrte Gitter und paßt seine Energie diesem Zustand so an, daß seine Energie sinkt. So funktioniert die Wechselwirkung zwischen Elektronen über das Kristallgitter.
15
BCS Theorie der Supraleitfähigkeit
3. Aus der BCS Theorie folgen die Londonsche Eindringstiefe für das Magnetfeld und die Kohärenzlänge. Damit ist der Meissner-Effekt erklärt.
rBrArAc
rjL
rot;
4 2London:
Meissner:
LL
xBxB
BB
exp0;2
2
Kohärenzlänge: g
F
E
v
20