Μαγνητικά Υλικά Υπεραγωγοί

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Μαγνητικά Υλικά Υπεραγωγοί ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜA ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Διδάσκων: Καθηγητής Ιωάννης Παναγιωτόπουλος

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Υπεραγωγοί Βασικές Έννοιες Υλικά Εφαρμογές

4 Μικροσκοπική θεωρία-ζεύγη Cooper Ελκτική (έστω και ασθενής) αλληλεπίδραση μεταξύ ηλεκτρονίων που καταλαμβάνουν στάθμες E<E F μπορεί να οδηγήσει σε σχηματισμό δέσμιων ζευγών ηλεκτρονίων σε βασική κατάσταση που διαχωρίζεται από την διηγερμένη από ενεργειακό χάσμα. 2 E 2 ω exp D V0N ( EF ) Αυτή είναι αποτέλεσμα της σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου-ηλεκτρονίου

5 Φαινόμενο Meissner- Βάθος διεισδύσεως: λ N S Β(x) λ B x = λ ( ) ( ) x B 0 exp

6 Υπεραγώγιμη κυματοσυνάρτηση N n = Ψ * S S Ψ Κβάντωση της ροής ξ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΥΠΕΡΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ h Φ = n 2 e Μήκος συσχέτισης ξ 0

7 Επιφανειακή Ενέργεια Υπεραγώγιμης- Κανονικής Κατάστασης σ 1 2 ( ) 2 ξ λ µ 0H C

8 Υπεραγωγοί Τύπου ΙΙ M = H B = µ 0 ( H + M) = 0 Al λ = 50nm ξ = 3000nm YBa 2 Cu3O7 λ = 150nm ξ = 3nm -Μ Meissner. μικτή κανονική B C 1 = Φ0 4πλ ln 2 λ ξ B C 2 = Η Φ 2πξ 0 2

9 Θερμοδυναμικό Β C λ κ = ξ >1 2 -Μ B C B = C1 BC 2κ lnκ B Η = C 2 2κB C

10 Υπεραγώγιμα Υλικά και Εφαρμογές ΥΛΙΚΑ Μονο-στοιχειακά Μέταλλα Κράματα Ενώσεις με δομή Α15 Φάσεις Chervel MgB 2 Περοβσκίτες Οξειδίων του Χαλκού Άλλα συστήματα (οξείδια, υδρίδια, Πολυμερή, Cs 3 C 60 ) ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Υπεραγώγιμοι Μαγνήτες Αισθητήρες Υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής SQUID Μαγνητική Ανύψωση, Υπεραγώγιμα Καλώδια, Αποθήκευση Ενέργειας

11 Μονοστοιχειακοί Μεταλλικοί Υπεραγωγοί T C (K) B C (Tesla) Nb Pb Ta Hg V Sn

12 Κυβικά bcc NbTi, NbZr NbZr Tc=10.8 K NbTi Tc=9.6K, Bc=16 Tesla Bc=11 Tesla at 4.2 K όλκιμο

13 γραμμές των ατόμων A=Nb,V. Δομή Α15 (Α 3 Β) A=Nb,V B=Ge,Ga,Si,Sn

14 Υπεραγώγιμα Κράματα με δομή A15 T C (K) Β C2 (Tesla) Nb 3 Ge Nb 3 Ga Nb 3 Sn V 3 Ge B C 2 = Φ 2πξ 0 2 V 3 Ga V 3 Si Είναι Υπεραγωγοί τύπου-ιι

15 Φάσεις Chervel ΜΜο 6 Χ 8 (X=S,Se) Ρομβοεδρική T C (K) B C2 (T) LaMo 6 Se PrMo 6 Se SnMo 6 S PbMo 6 S LuNi 2 B 2 C

16 MgB 2 T C =39K Nagamatsu et al. Nature 410, (2001) ισοτοπικό φαινόμενο 11 Β, 12 Β, α= Mg, 26 Mg α=0.02 Ανισοτροπικό ξ ab = nm ξ c = nm Πολλαπλό χάσμα 2meV, 7.5meV

17 Υπεραγωγοί Οξειδίων Ανισοτροπικές δομές Νόθευση με οπές Χαμηλή συγκέντρωση φορέων /cc Τ μονωτής μέταλλο υπεραγωγός Βαθμός νόθευσης με οπές στα επίπεδα CuO 2

18 Περοβσκίτες AMO 3 (Κέντρο σε Μ=Cu)

19 Περοβσκίτες AMO 3 (Κέντρο σε A=La,Sr,Ba ) MO 2 AO MO 2

20 Σειρά La 2-x Sr x CuO 4 K 2 NiF 4 (I4/mmm) La 2 CuO 4 =LaO+LaCuO 3 La 2 CuO 4 =>Cu ++, Sr 2 CuO 4 =>Cu ++++ Μέγιστο T C =40K για x=0.15

21 YBa 2 Cu 3 O 7-δ ( YBCO ) T C =92.4 K Georg Bednorz (1986) Nobel 1987 Ανισοτροπικό ξ ab =4.3 nm, ξ c = 0.7 nm λ ab =27 nm, λ c =180 nm

22 Σειρά Y 2 Ba 4 Cu 6+n O 14+n-δ n=0 YBa 2 Cu 3 O 7-δ Τ C =93K για δ<0.1 n=2 YBa 2 Cu 4 O 8-δ Τ C =80K n=1 Y 2 Ba 4 Cu 7 O 15-δ Τ C =70K Ba Ba Y Ba Ba Y Ba Y Ba Ba Ba Ba Y επίπεδα Cu Y Ba Y Ba Ba Ba Y Αλυσίδες Cu Ba

23 Σειρά Tl2Ba2Can-1CunO2n+4

24 Σειρές Bi 2 Sr 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 και Tl 2 Ba 2 Ca n-1 Cu n O 2n+4 n=1 n=2 n=3 Bi Sr Bi Cu Ba Tl Ba Bi Sr Bi Ca Cu Cu Ba Tl Ba Ca Ca n= Ca CaCuO 2 90K Bi 2 Sr 2 CuO 6 10K Tl 2 Ba 2 CuO 6 90K Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 80K Tl 2 Ba 2 CaCu 2 O 8 110K Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O K Tl 2 Ba 2 CaCu 3 O K

25 Σειρά TlBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+3 n=1 n=2 n=3 n=4 Ba Tl Ba Cu Ca Cu Ca Ca Ca Ca Ca TlBa 2 CuO 5 50K TlBa 2 CaCu 2 O 7 82K TlBa 2 Ca 2 Cu 3 O 9 133K TlBa 2 Ca 3 Cu 4 O 9 127K HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O K Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O K (1994)

26 άπειρα επίπεδα χαλκού Cu Ca Cu Ca Cu Cu n Ca n-1 Tl ή Βι 1 ή 2 Ba ή Sr 1 ή 2 Cu Ca Cu Ca Cu Cu n Ca n-1 Για n «άπειρα επίπεδα χαλκού»

27 Υπεραγωγοί πνικτιδίων Kamihara 2006 "Iron-Based Layered Superconductor: LaOFeP" La Ce,Pr,Sm,Nd Fe Mn,Co,Ni As P T C LaO 0.89 F 0.11 FeAs SmFeAsO 0.9 F 0.1 NdFeAsO 0.89 F 0.11 SmFeAsO 1 δ BaFe 2 As 2 FeSe 26 K 43 K 52 K 55 K 22 K 18 K

28 Άλλα συστήματα που εμφανίζουν Υπεραγωγιμότητα Βαρέα Φερμιονία: UPd 2 Al 3, UBe 13, UPt 3 (~1K) Βοροκαρβίδια: RE.TM.(B,C,N), ErNi 2 B 2 C (10.5K) Υδρίδια: Pd-H Rb 3 C 60 (30.5K), Cs 3 C 60 (47.4K) Οξείδια NbO, SrTiO 3 Ημιαγωγοί GeTe Πολυμερή Tetrathiafulvalene

29 Υπεραγώγιμα Υλικά και Εφαρμογές ΥΛΙΚΑ. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Υπεραγώγιμοι Μαγνήτες Αισθητήρες Υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής SQUID Φίλτρα RF Μαγνητική Ανύψωση Υπεραγώγιμα Καλώδια, Αποθήκευση Ενέργειας

30 Υπεραγώγιμα σύρματα-μαγνήτες Κρίσιμη θερμοκρασία T C Άνω κρίσιμο πεδίο B C2 Κρίσιμη πυκνότητα ρεύματος Jc Σταθερότητα ως προς την μετάβαση στην κανονική κατάσταση (flux jumps) 2 d < J C C T µ 0 Απώλειες AC Μηχανικές ιδιότητες Cu-Nb 3 Sn multifilament composite wire > 20 Tesla ITER project Hitatchi

31 Υπεραγώγιμα σύρματα Bi-2212 > 30 Tesla! Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8-χ (Bi-2212) Σε μήτρα αργύρου υψηλής καθαρότητας D. C. Larbalestier, J. Jiang, U. P. Trociewitz, F. Kametani et al NATURE MATERIALS 2014

32 Κβάντωση Ροής n S S 2 = Ψ, Ψ = Ψ e iφ ϕ = 2e Φ = 2π n Φ = h 2e n

33 Επαφές Josephson S N S nm J = J c sin φ + 2eVt 2eV 2eV ω =, f = f V = GHz h µ V

34 κβαντική συμβολή (SQUID) J 1 J = 2I 0 πba cos Φ0 L πba sin Φ0 πbaj Φ 0 J J 2 J

35 Φίλτρα Υψηλών συχνοτήτων f= 1975 MHz, width = 10MHz THALES & IRCOM - AND "SUPRACOM" Akasegawa et al., Fujitsu Sci Tech J

36 Μαγνητική Ανύψωση με Υπεραγωγούς SCMaglev (Superconducting Maglev) 581 km/h (2003) Ηλεκτροδυναμική ανύψωση και σταθεροποίηση: Τρένο=υπεραγώγιμοι μαγνήτες Τροχιά=πηνία στα 150 km/h h=10 cm

37 Τέλος Ενότητας

38 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

39 Σημειώματα

40 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.

41 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Καθηγητής Ιωάννης Παναγιωτόπουλος. «Μαγνητικά Υλικά Υπεραγωγοί. ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜA ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

42 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1]