Υπεραγωγοί. Βασικές Έννοιες Υλικά Εφαρμογές

Transcript

1 Υπεραγωγοί Βασικές Έννοιες Υλικά Εφαρμογές

2 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

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

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

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

6 Υπεραγωγοί Τύπου ΙΙ M = H B = µ 0 ( H + M) = 0 Al λ = 50nm ξ = 3000nm Y 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

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

8 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

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

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

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

12 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

13 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

14 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

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

16 Περοβσκίτες AMO 3 (Κέντρο σε Μ=Cu)

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

18 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

19 Y 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

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

21 Σειρά Tl22Can-1CunO2n+4

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

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

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

25 Υπεραγωγοί πνικτιδίων Kamihara 2006 "Iron-sed 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 Fe 2 As 2 FeSe 26 K 43 K 52 K 55 K 22 K 18 K

26 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

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

28 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

29 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

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

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

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

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

34 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