Helmut Kinder
Technische Universität München, D-85747 Garching,
und THEVA Dünnschichttechnik GmbH, D-85386 Eching
Supraleiter-
von der Wissenschaft zur Technologie
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
Was sind Supraleiter?
Elektrischer Strom fließt ohne Widerstand
Bewegung der Elektronen ohne Reibung
Dauerströme im Experiment: Schwebeversuch
Magnete
Supraleiter
Mit Kamerlingh Onnes fing alles an
1911 Entdeckung der Supraleitung
1913 Nobelpreis
Hg
1908 Flüssiges Helium bei 4,2K (-269°C)
Entwicklung der Sprungtemperatur
"klassische" SL
"Hochtemperatur"-Supraleiter
flüss. Stickstoff
Wie funktioniert Supraleitung?
Erklärung nur durch Quantenmechanik
die klassische Physik versagt!
Supraleitung ist die Spielwiese der QM
SL
QM
Schnellkurs in Quantenmechanik
Newton 1704: Licht-Teilchen
Huygens 1691: Licht-Wellen
Planck 1900: Licht-Quanten E = hν
Heisenberg: es gib überhaupt keine Teilchen oder Wellen !
dies sind nur Erscheinungsformen der Quanten
Quadrat? Kreis? Zylinder!
Beugung am Regenschirm
Beugungs-Experimente mit Quanten
Quelle Doppelspalt Schirm
wenige Lichtquanten (Photonen) wenige Elektronen
Elektronen im Supraleiter
Elektronen im Supraleiter binden sich zu Paaren
alle Paare zusammen bilden klassische Welle:
"Cooperpaare"
" Makroskopischer Quantenzustand "
Wellen auf dem Ring
n=1 n=2 n=3 usw...
Wellenlänge muss auf den Umfang passen:n 2 r
Wellenlänge I mpuls Strom Magnetfl uss
d. h. der Fluss ist "quantisiert" Φ = n Φ 0
0n
Flussquantisierung: Experiment
Doll und NäbauerMünchen 1961
15 20
h2 10 Tesla m
e2
Magnetfl
uss
im
Rin
g
äußeres Magnetfelderster Beweis
für Paare!
Josephson-Effekt
2-Strahl-Interferenz mit Elektronenpaaren
empfindlichstes Messinstrument überhaupt
Superconducting QUantum Interference Device, SQUID
Engstellen B
Strom
Magnetfeld B (10-5T)Str
om
"gleichnamige Ladungen stoßen sich ab"
Die Paar-Anziehungskraft
- gilt nicht im Festkörper!
"Matratzenbild":
klassische SL: Gitterdeformation
HTSL: magnetische Wechselwirkung
BCS-Theorie
J. Bardeen L. N. Cooper R. Schrieffer
Paare sind miteinander "verzahnt"
Strom: Bewegung aller Paare "im Gleichschritt"
wegen Pauliprinzip
Paare sind gemeinsam stark: Suprastrom !
Demonstration dazu
bei Anwendungen wird es kritisch
SL bricht im Magnetfeld schnell zusammen !
Anwendungsbereich der ersten SL ("1. Art") war zu begrenzt
B=0
Magnetfeld wird beim Abkühlen aus der Probe verdrängt
WaltherMeissner
sonst kein SL Zustand möglich
Ursache: der Meissner-Effekt
irgendwann geht dem SL "die Luft aus": kritische Feldstärke
Verdrängung kostet Energie, mit steigendem Feld immer mehr
Die Supraleiter zweiter Art das Magnetfeld wird nur teilweise verdrängt
SL bildet Flussquanten
weniger Feldverdrängung kostet weniger Energie
Kritische Feldstärke erhöht sich stark
Kritische Felder von SL 2. Art
T in Kelvin
Bc
in T
esl
a
der erste technische Durchbruch
"Stabilisierung" bringt technische Reife
NbTi-Legierung lässt sich kostengünstig zu Drähten ziehen
Vieldraht-Leiter
14 000 Einzeldrähte
NbTi in CuNi-Hülle20x
Beschleuniger-Magnete
Hera-Tunnel, DESY, Hamburg
4,7 Tesla 6,3km
LHC-Projekt, Genf1200 Dipolmagnete 8,6Tje 15m, 24t (bis 2005)
8,6km
CERN
IGC
Magnetresonanz-Tomographie
MRT hat größten Marktanteil bei Supraleiter-Produkten
NMR-Spektroskopie
Kernspin-Resonanz
bei 900 MHz/21Tesla
für chemische Analyse
mit Nb3Sn-Spule
für höchste Magnetfelder
NMR-Spektrum
"Hochtemperatur"-Supraleiter
Nobelpreis Ende 1987
A. Müller: Ehren -Dr. TUM, Mitte 1987
1986 erster HTSL (LaBa)2CuO4
W. Bednorz A. Müller
1987 Supraleiter mit Tc > 90 K
Die wichtigsten HTSL
Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (BSCCO oder Bi-2223) 110K
Tl2Ba2Ca2Cu3O10 (TBCCO oder Tl-2223) 125K
HgBa2Ca2Cu3O10 (HBCCO oder Hg-1223) 138K
YBa2Cu3O7 (YBCO oder Y-123) 93 K
YBCO
CuO2-Ebenentragen die SL
Erweiterte Grenzen
Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
Heat TreatmentRolling Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
FabricationDeformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
Herstellung von BSCCO-Leitern
Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
Heat TreatmentRolling Heat TreatmentRolling
Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
FabricationDeformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling Deformation
Powder Production Sealing in Billet Deformation
Rebundling
Part 1:Precursor
Fabrication
Part 2:Microstructure
Engineering
REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM
Teil 2:
Metallurgie
Teil 1:
Rohling
herstellen
Pulver-Herstellung Bolzen versiegeln Draht ziehen
neu bündeln neu ziehen
flach walzen Wärmebehandlung
BSCCO-Leiter
Leiter-Vergleich mit Kupfer
Kabel aus 170 Leitern
Matrix• Ag or Ag alloy
HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments
Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc
Matrix• Ag or Ag alloy
HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments
Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc
HTS Filaments• BSCCO-2223• 55 filaments
Definitions:• je = current density of entire tape• jc = current density of HTS filaments• fill factor = je / jc
REVOLUTIONIZING THE WAY THE WORLD USES ELECTRICITY TM
Starkstrom-Leitung mit BSCCO-Draht
(Pirelli + American Superconductor)
Umspannwerk Detroit-Frisbee 3-adriges SL Kabel360 m lang
MRT-Spule aus BSCCO-Draht
(Siemens
+Oxford Instruments)
offenes System
für seitlichen
Zugang
(Operationen)
YBCO Dünnschichten
230 mm
kostengünstig durch Vielfach-Prozess
hohe Qualität und Reproduzierbarkeit
Heizer700°C
O2 Sauerstoff
Verdampfer
Yttrium
rotierendes
"Garching-Verfahren"
Vakuumpumpezur
Vakuum
Substrat
BariumKupfer
Filter aus YBCO-Dünnschichten
Filter höchster Trennschärfe
(Bosch/Astrium+THEVA)
Mobilfunk - Stationen
Satelliten - Kommunikation
Satelliten-Transponder
Strombegrenzer aus YBCO-Dünnschichten
schnelle Absicherung in der Energietechnik
erhöht die Transportkapazität von Stromnetzen
(Siemens
+THEVA
+TU München)
Wirkungsweise von Strombegrenzern
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Zeit [ms]
-700
-500
-300
-100
100
300
500
700St
rom
[A
]
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
Span
nung
[V
]
SpannungSpannungStromStrom
Zeit (ms)
Str
om
(A
) Sp
an
nu
ng
(V)
THErmal EVAporation = THEVA GmbH
ProdukteProdukte
YBCO FilmeYBCO Filme
BeschichtungsanlagenBeschichtungsanlagen
JJcc-Scanner-Scanner
F&E:F&E:
BandbeschichtungBandbeschichtung
Energietechnik-AnwendungenEnergietechnik-Anwendungen
MikrowellenMikrowellen
gegründet 1995 12 Vollzeit-Mitarbeiter
www.theva.com
Neuere Entwicklung: MgB2
einfache Verbindung
Standard-Chemikalie
Magnesium
Bor
Magnesium-DiboridTc=39K
"Matratze"
Die SL sind immer gut für Überraschungen
Schlussbemerkung
Supraleitung ist Lehrbeispiel der Quantenmechanik
"klassische" Supraleiter haben bedeutenden Markt
"Hochtemperatur"-Supraleiter mausern sich