supercomet project gren ireson, loughborough university & peter uylings, uva 1 supergeleiding...

1SUPERCOMET Project

Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA

Supergeleiding

• Hot Science, High Tech en..

• Super Cool!

SUPERCOMET Project


Supergeleiding in de klas: Nascholing voor leraren.

3SUPERCOMET Project


•Een cursus van één dag over:

•De geschiedenis en theorie van supergeleiding.

•Supergeleiding in het leerplan.

•Practische activiteiten met hoge temperatuur supergeleiders.

Inhoud

4SUPERCOMET Project


Een supergeleider die de veldlijnen vasthoudt, opgesteld beneden een magneet.

Suspension and Levitation Kit K15Colorado Superconductor Inc. www.users.qwest.net/~csconductor/

5SUPERCOMET Project


“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)

Supergeleiding:tijdslijn van de geschiedenis & theorie

6SUPERCOMET Project


1877• Cailletet en Pictet maken onafhankelijk van

elkaar zuurstof vloeibaar

1894• Kamerlingh Onnes maakt stikstof vloeibaar

nitrogen

1898• Dewar maakt waterstof vloeibaar

Supergeleiding:tijdslijn

7SUPERCOMET Project


1908• Kamerlingh Onnes maak helium

vloeibaar1911• Hij ontdekt supergeleiding in kwik• Metingen door Gilles Holst (later

directeur Philipslaboratorium) met Wheatstonebrug; slechts dankwoord!

Supergeleiding: tijdslijn

8SUPERCOMET Project


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:

• Hij had verwacht dat de soortelijke weerstand geleidelijk tot nul zou afnemen, en was verrast door de abrupte verandering!

( ) 3,7 K

4,2 K (Helium)!cT tin

9SUPERCOMET Project


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


10SUPERCOMET Project


Klassieke diamagneten bij superhoge velden (50 T) in Nijmegen



• Van 1911 tot 1933 was het onderzoek naar supergeleiding beperkt tot Leiden, Berlin en Toronto

• De enige laboratoria met toegang tot vloeibaar Helium.




1957• Bardeen, Cooper en Schrieffer stellen de BCS

theorie voor

1986• Bednorz en Müller ontdekken supergeleidende

oxides

2003• Nobel Prijs voor de Natuurkunde




• 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

Theorie van de supergeleiding



Aleksei Abrikosov Vasily Ginzburg Anthony Legget

Nobelprijs winnaars 2003



• 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

Supergeleiders



• 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

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

Niet-supergeleidende materialen



Conventioneel

oxide

Supergeleidende materialen



supergeleider normale geleider, b.v. Cu

ρ ρ

Supergeleiders en normale geleiders



B

TTC

BC

Kritieke temperatuur en kritiek magneetveld



Type I en type IIsupergeleiders

• Bc overschreden:

• In type I krijgt het hele preparaat in één keer weerstand

• In type II is de overgang geleidelijk (door onzuiverheden)



Bext

Bc

ρ

Type I supergeleider



Type II supergeleider

Bext

Bc

ρ



Niet altijd een perfecte diamagneet

Magnetische wervellijnen

Meissner toestand

Abrikosov



x

B

Penetratie van het magneetveld

Oppervlak van de supergeleider

20

0 2

mc

ne



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.



Josephson!



Josephson contacten (=juncties):Supergeleidende elektronica!

• Tunnel effect! Josephson stroom zonder spanning!• Twee laagjes supergeleidend materiaal• Onderbroken door een isolator, Cooperpaar tunnelt van

weerszijden• Stroom oscilleert met :definitie van de Volt!• Macroscopische quantum interferentie met faseverschil

zwakke signalen (SQUIDS)• Quantum computing, brain imaging.. • Snelle schakelaar, geheugen..

2ef V

h

2e

c



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):

0 Wb2

h

e

2

-10

2

eG

h



• 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!



Hersens zien: MRI, Cat scans en.. SQUIDS

• De SQUID is in staat een verandering van één fluxquantum te meten!

• Omdat meet de SQUID

magneetvelden van • Hersens: magneetveld • Zo bestaat er ook een superfluïde SQUID• Minimum circulatie quantum • Soort gyroscoop, ultragevoelig voor rotaties

150 2 10 Wb

2

h

e

1310 T 3He

2 e

h

m

1410 T!



John Bardeen Leon Cooper Bob Schrieffer

De BCS theorie:van fermion tot boson door middel van een fonon!?



Het fasediagram van een supergeleider

c

c

c

T T

H H

J J

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!

12

Isotopie effect:

roostertrillingen massa-afhankelijkT M



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.



www.superconductors.org

Cooper paren



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 (2002) twee soorten Cooperparen -> 39 K!

2MgB



Bros Niet-metaal Waarom geleidt het

eigenlijk?

Koperoxide supergeleiders geven de hoogste kritieke temperatuur



1900 1920 1940 1960 1980 20000

20

40

60

80

100

120

140

Hig

hest

cri

tical

tem

pera

ture

(K

elvi

n)

Year

MercuryLead

Niobium

NbNNb3Sn Nb3GeLa1.8Sr0.2CuO4

YBa2Cu3O7 aka YBCOLiquid

Nitrogen

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

aka BSCCO

Tl2Ba2Ca2Cu3O10

HgBa2Ca2Cu3O8

Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33

Koperoxides



YBCO7 HgCuOLSCO

Koperoxides



Koperoxides

HgBa2Ca2Cu3O8

Tl2Ba2Ca2Cu3O10

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

La1.8Sr0.2CuO4

scheikunde …

Cu O

CuO



Koperoxides

HgBa2Ca2Cu3O8

Tl2Ba2Ca2Cu3O10

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

La1.8Sr0.2CuO4

scheikunde …

Cu O

CuO

Cu + O



Cu + OZeer complex

HgBa2Ca2Cu3O8

Tl2Ba2Ca2Cu3O10

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

La1.8Sr0.2CuO4

scheikunde …

Cu O

CuO

Koperoxides



Cu + Ozeer complex

Cu + Ozeer complex

Cu + O zeer complex

HgBa2Ca2Cu3O8

Tl2Ba2Ca2Cu3O10

Bi2Sr2Ca2Cu3O10

La1.8Sr0.2CuO4

scheikunde …

Cu O

CuO

Supergeleidend

Koperoxides



Supergeleidende CuO vlakken

Koperoxides



Video Demonstratie

Het Meissner effect: stabiliteit door flux pinning



Wat gebeurt er met een LED bij zeer lage temperaturen?

Gebruik van de computertoepassing



• 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!

Hands-on activiteiten

supercomet project gren ireson, loughborough university & peter uylings, uva 1 supergeleiding...

Documents

supercomet project gren

uva supergeleiding

supergeleiding dia

tijdslijn dia

nijmegen dia

inhoud dia

geschiedenis theorie

en welke zijn het niet