Supergeleiding
advertisement
SUPERCOMET Project 1 Supergeleiding • Hot Science, High Tech en.. • Super Cool! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project Supergeleiding in de klas: Nascholing voor leraren. Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 3 Inhoud •Een cursus van één dag over: •De geschiedenis en theorie van supergeleiding. •Supergeleiding in het leerplan. •Practische activiteiten met hoge temperatuur supergeleiders. Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 4 Een supergeleider die de veldlijnen vasthoudt, opgesteld beneden een magneet. Suspension and Levitation Kit K15 Colorado Superconductor Inc. www.users.qwest.net/~csconductor/ Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 5 Supergeleiding: tijdslijn van de geschiedenis & theorie “wanneer de aarde sterk zou afkoelen zou de lucht, of althans sommige bestanddelen ervan, niet langer onzichtbaar blijven, maar overgaan in een vloeistof” (Lavoisier, 18th eeuw) Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 6 Supergeleiding: tijdslijn 1877 • Cailletet en Pictet maken onafhankelijk van elkaar zuurstof vloeibaar 1894 • Kamerlingh Onnes maakt stikstof vloeibaar nitrogen 1898 • Dewar maakt waterstof vloeibaar Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 7 Supergeleiding: tijdslijn 1908 • Kamerlingh Onnes maak helium vloeibaar 1911 • Hij ontdekt supergeleiding in kwik • Metingen door Gilles Holst (later directeur Philipslaboratorium) met Wheatstonebrug; slechts dankwoord! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 8 De ontdekking • Onnes gebruikte kwik om de eenvoudige reden dat hij daarin de grootste zuiverheid kon bereiken. N.B. met tin was hem dat niet gelukt: Tc (tin) 3, 7K 4, 2K (Helium)! • Hij had verwacht dat de soortelijke weerstand geleidelijk tot nul zou afnemen, en was verrast door de abrupte verandering! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 9 Supergeleiding: tijdslijn 1933 • Meissner en Ochsenfield – supergeleiders zijn ideale diamagneten dwz flux-uitsluiting: verdringen alle magnetische veldlijnen, maken ze feitelijk inwendig nul door een magneetspiegel. • Het is het Meissner effect, eerder dan soortelijke weerstand nul, dat op dit moment geldt als ‘bewijs’ van supergeleiding Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 10 Klassieke diamagneten bij superhoge velden (50 T) in Nijmegen Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 11 Supergeleiding: tijdslijn • Van 1911 tot 1933 was het onderzoek naar supergeleiding beperkt tot Leiden, Berlin en Toronto • De enige laboratoria met toegang tot vloeibaar Helium. Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 12 Supergeleiding: tijdslijn 1957 • Bardeen, Cooper en Schrieffer stellen de BCS theorie voor 1986 • Bednorz en Müller ontdekken supergeleidende oxides 2003 • Nobel Prijs voor de Natuurkunde Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 13 Theorie van de supergeleiding • De BCS theorie werd tot 1986 niet in twijfel getrokken. • Uit de BCS theorie volgt een maximale kritische temperatuur van 30K • Toen deze overschreden werd (35K in 1986) was er een nieuwe theorie nodig Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 14 Nobelprijs winnaars 2003 Aleksei Abrikosov Vasily Ginzburg Anthony Legget Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 15 Supergeleiders • Wat is een supergeleider eigenlijk? • Het Latijnse voorzetsel super betekent boven, (de geleider) voorbij. • Pas sinds de dertiger jaren wordt de term supergeleider algemeen geaccepteerd. • De oorspronkelijke benaming van Onnes was het Duitse woord Supraleitung Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 16 Supergeleidende materialen • Welke materialen zijn supergeleidend? • Het is bekend van ongeveer 30 elementen • As, Be, Bi, Cs, Ge, Si en Te zijn alleen supergeleidend in dunne films • Oxide supergeleiders zijn een soort keramisch materiaal Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 17 Niet-supergeleidende materialen • En welke zijn het niet? • Gewoonlijk goede geleiders, zoals Cu of Ag zijn het niet! • Magnetische materialen, zoals Fe of Ni zijn het niet! • Overgangselementen zijn het ook niet Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 18 Supergeleidende materialen Conventioneel oxide Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 19 Supergeleiders en normale geleiders ρ ρ supergeleider normale geleider, b.v. Cu Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 20 Kritieke temperatuur en kritiek magneetveld B BC TC T Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 21 Type I en type II supergeleiders • Bc overschreden: • In type I krijgt het hele preparaat in één keer weerstand • In type II is de overgang geleidelijk (door onzuiverheden) Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 22 Type I supergeleider ρ Bext Bc Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 23 Type II supergeleider ρ Bext Bc Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 24 Magnetische wervellijnen Niet altijd een perfecte diamagneet Abrikosov Meissner toestand Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 25 Penetratie van het magneetveld B Oppervlak van de supergeleider x 0 0 mc ne 2 2 Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 26 Abrikosov toestand en wervels Het mechanisme waarmee een magneetveld een supergeleider kan binnendringen is verklaard door Aleksei Abrikosov, 2003 Nobelprijs winnaar, met behulp van wervels. Het magneetveld kan het preparaat binnendringen door een ‘wervelkern’. De wervel is een eeuwig circulerende superstroom [elke wervel draagt één flux quantum] die het magneetveld van de supergeleider buiten de wervel afschermt. Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 27 Josephson! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 28 Josephson contacten (=juncties): Supergeleidende elektronica! • Tunnel effect! Josephson stroom zonder spanning! • Twee laagjes supergeleidend materiaal • Onderbroken door een isolator, Cooperpaar tunnelt van weerszijden 2e • Stroom oscilleert met f V :definitie van de Volt! h • Macroscopische quantum interferentie met faseverschil zwakke signalen (SQUIDS) • Quantum computing, brain imaging.. • Snelle schakelaar, geheugen.. 2e c Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 29 Flux quantisatie: een prachtig macroscopisch (lange afstands) quantum effect • De magnetische flux is een gequantiseerde grootheid. • Dit geldt ook voor de flux door een supergeleidende ring. • De eenheid van flux heet fluxoïde: • Vergelijk ook de kleinste quantum eenheid van geleidbaarheid, waarom een atoom lading overdraagt (nanotubes): h 0 2e Wb 2e2 G0 h -1 Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 30 • De flux blijft eeuwig opgesloten in de supergeleidende ring! • De quantisatie van de flux betekent ook: • Quantisatie van de stroom en dus: • Quantisatie van de weerstand! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 31 Hersens zien: MRI, Cat scans en.. SQUIDS • De SQUID is in staat een verandering van één fluxquantum te meten! h 15 2 10 Wb meet de SQUID • Omdat 0 2e magneetvelden van 1014 T! • Hersens: magneetveld 1013 T • Zo bestaat er ook een superfluïde SQUID 3 He h • Minimum circulatie quantum 2me • Soort gyroscoop, ultragevoelig voor rotaties Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 32 De BCS theorie: van fermion tot boson door middel van een fonon!? John Bardeen Leon Cooper Bob Schrieffer Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 33 Het fasediagram van een supergeleider T Tc H Hc J Jc Isotopie effect: T M 1 2 roostertrillingen massa-afhankelijk Als in CERN bij de LEP of LHC de superstroom (op zoek naar het Higgs boson of de top quark) de kritieke limiet overschrijdt ontstaan door de plotselinge hitte ondergrondse explosies! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 34 Cooperparen (I) • Macroscopische coherentie: liefde op afstand! • Passage van nummer één geeft een roostertrilling (vertraagd effect negatieve lading op de positieve ionen: polarisatiewolk) • Deze trilling wordt als fonon doorgegeven • Vervolgens door het tweede elektron geabsorbeerd • Dit vereenvoudigt de passage van het tweede elektron door de ‘slipstream’: aanzuiging door positief geladen polarisatiewolk. Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 35 Cooper paren www.superconductors.org Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 36 Cooperparen (II) • Er ontstaat een geleidend spoor van polarisatiewolken. • Elektronen vóór en achter zo’n wolk vormen samen een Cooperpaar. • Elk elektron heeft zo zijn (tijdelijke) danspartner om structuur in de chaos aan te brengen. • Alleen bij bepaalde molekuulstructuren en bij voldoend lage temperatuur (demping roostertrillingen) treedt dit op! • In MgB2 (2002) twee soorten Cooperparen -> 39 K! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 37 Koperoxide supergeleiders geven de hoogste kritieke temperatuur Bros Niet-metaal Waarom geleidt het eigenlijk? Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 38 Highest critical temperature (Kelvin) Koperoxides Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.3 3 140 120 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 aka BSCCO 100 Liquid Nitrogen 80 60 40 Niobium HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 YBa2Cu3O7 aka YBCO La1.8Sr0.2CuO4 NbN Nb Sn Nb3Ge 20 Mercury 3 Lead 0 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Year Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 39 Koperoxides LSCO YBCO7 HgCuO Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 40 Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 41 Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO Cu + O Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 42 Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO Zeer complex Cu + O Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 43 Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO zeer complex Cu + O zeer complex Cu + O zeer complex Cu + O Supergeleidend Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 44 Koperoxides Supergeleidende CuO vlakken Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 45 Video Demonstratie Het Meissner effect: stabiliteit door flux pinning Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 46 Gebruik van de computertoepassing Wat gebeurt er met een LED bij zeer lage temperaturen? Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 47 Hands-on activiteiten • Veiligheid eerst! • Vloeibaar stikstof is heel koud -196 C • Kijk wat er gebeurt met het fruit en de bloem – wij bestaan grotendeels ook uit water! • Altijd: draag een veiligheidsbril, zorg dat de omgeving goed geventileerd is en sluit de fles nooit met een dop af! Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA SUPERCOMET Project 48 Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
