Tc(K) Nadprzewodnik TMTSF
advertisement
Nadprzewodnictwo Marek Gieniec IS2R2 Plan prezentacji Historia Materiały nadprzewodzące Własności nadprzewodników Teoria nadprzewodnictwa Zastosowania Perspektywy rozwoju Historia 1911 rok – Heike Kamerlingh Onnes podczas badań rezystancji rtęci w ciekłym helu (4,2 K) odkrył nadprzewodnictwo. Nagroda nobla 1913 r. Opór R=0 poniżej TC; (R<10-23 cm, 1018-razy mniejsze niż dla Cu) • 1930 zbadano temperaturę krytyczną Niobu - 9,2 K. • 1933 Walther Meissner i Robert Ochsenfeld – odkrywają zjawisko usuwania z wnętrza nadprzewodników pola magnetycznego • 1935 – bracia Fritz i Heinz Londonowie stworzyli w celu wytłumaczenia efektu Meissnera- Oschenfelda model Londonów • 1950 – Vitalij Ginzburg i Lew Landau zaproponowali fenomenologiczną teorię nadprzewodnictwa • 1957 – Leon Cooper i Robert Schriefer zaproponowali pełną teorię nadprzewodnictwa – teorię BCS • 1962 – Brian Josephson przewidział zjawiska kwantowe zachodzące w złączach Josephsona • 1973 – Niskotemperaturowy nadprzewodnik o najwyższej temperaturze krytycznej 23,2K dla Nb3Ge • 1986 – Pierwszy wysokotemperaturowy nadprzewodnik (LaBa)2 CuO4 TC=35K • 1987 (Styczeń): YBa2Cu3O7-x TC=93K • 1993: Hg-Ba-Ca-Cu-O TC=133K (A. Schilling, H. Ott, ETH Zürich) Temperatury krytyczne niektórych pierwiastków Al (Glin) Tc(K) = 1,2 In (Ind) Tc(K) = 3,4 Sn (Cyna) Tc(K) = 3,7 Hg (Rtęć) Tc(K) = 4,2 Ta (Tantal) Tc(K) = 4,5 V (Wanad) Tc(K) = 5,4 Pb (Ołów) Tc(K) = 7,2 Nb (Niob) Tc(K) = 9,3 Pierwiastki nadprzewodzące Li Be K Rb Cs Mg Ca Sr Ba (Żelazo) Tc=1K (@ 20GPa) (Niob) 0.026 Na Fe Nb Tc=9,5K Hc=0.2T Sc Y Ti V 0.39 10 5.38 142 Cr Mn Fe Co Ni B C N O F Ne Al Si P S Cl Ar Ge As Se Br Kr Sb Te I Xe Bi Po At Rn 1.14 10 Cu Zn Ga 0.875 1.091 5.3 5.1 Zr Nb Mo Tc Ru Rh 0.546 4.7 9.5 198 0.92 9.5 7.77 141 0.51 7 0.03 5 La Hf Ta W Re Os Ir 6.0 110 0.12 1.4 20 0.655 16.5 0.14 1.9 4.483 0.012 83 0.1 Pd Pt Ag Au Cd In Sn 0.56 3 3.4 29.3 3.72 30 Hg Tl Pb 4.153 41 2.39 17 7.19 80 Temperatury krytyczne nadprzewodzących związków niskotemperaturowych V3Si Nb3Al Nb3Sn Nb3Ge Tc(K) = 15,7 Tc(K) = 16 Tc(K) = 18,3 Tc(K) = 23,2 Wysokotemperaturowych (La2-xSrx)CuO4 YBa2CuO7-x HgBa2CuO4 Tl2Ba2CaCu2O8 Bi2Sr3Ca2Cu3O10 HgBa2Ca2Cu3O8 Tc(K) = 36 Tc(K) = 91 Tc(K) = 94 Tc(K) = 80 Tc(K) = 125 Tc(K) = 135 Inne nadprzewodniki Fizycy poszukiwali nadprzewodników, także wśród niskowymiarowych związków organicznych. Nadprzewodnik (TMTSF)2ClO4 Tc(K) 1,4 (BEDT-TTF)2I3 (BEDT-TTF)2Cu(SCN)2 8,1 10,4 TMTSF – tetrametylotetraselenofulwalen BEDT-TTF - tetratiometylotetratiofulwalen Inne nadprzewodniki Odkryto również nadprzewodnictwo w materiałach opartych na bazie sześćdziesięcioatomowych cząstek węgla C60 fulerenów domieszkowanych z metalami alkalicznymi. nadprzewodnik Tc(K) K3C60 Rb2KC60 Rb3C60 Rb2CsC60 20 25 29 31 Fazy Chevrela chalkogenki molibdenu o wzorze ogólnym MxMoX6, gdzie M jest pierwiastkiem ziem rzadkich, a X jest pierwiastkiem chalkogenicznym. Bardzo wysokie wartości krytyczne pól, ale bardzo krucha budowa i rzadkość występowania pierwiastków. Nb3Ge YBa2CuO7-x najlepiejj poznany nadprzewodnik wysokotemperaturowy • Gęstość: g=6,388 g/cm3. • Stałe sieci: a=0,38929 nm, b=0,38213 nm, c=1,169 nm. • Podobnie jak we wszystkich nadprzewodnikach wysokotemperaturowych struktura warstwowa. • Dla x od 0,5 do 0 struktura rombowa tylko ta faza jest nadprzewodząca!!! Przepis na nadprzewodnik • Weź Y2O3 (tlenek Itru) BaCO3(węglan baru) i CuO masę w proporcji ½ mola Y2O3, 2 mole BaCO3, 3 mole CuO. • Trzy wymienione składniki należy rozgnieść i wymieszać w moździerzu. • Mieszaninę wsypać do tygielka, przykryć i ogrzewać 10-12 godzin w temperaturze 950 C. • Powstała substancja powinna mieć czarny kolor. Po ochłodzeniu materiał ponownie rozdrobić i prasować w pastylki w temperaturze 900-950 C w ciągu 12-16 godzin pod ciśnieniem 150 Mpa. A następnie wolno ochładza w atmosferze tlenowej. • Ochładzanie powinno się odbywać z prędkością 100C/h. „Wypychanie pola magnetycznego” Drugą cechą charakteryzująca nadprzewodniki jest zdolność do wypychania pola magnetycznego ze swojego wnętrza. Mówimy, że nadprzewodnik jest idealnym Diamagnetykiem (Efekt Meissnera) umieszczony w polu magnetycznym wytwarza w swoim wnętrzu pole przeciwne do pola zewnętrznego. Stan normaly Stan nadprzewodzący Idealny diamagnetyzm (efekt Meissnera) Prąd ekranujący na Powierzchni kuli wytwarza przeciwne pole magnetyczne A tak to działa w praktyce Podział nadprzewodników I rodzaju II rodzaju • Stosunkowo niskie • Wyższe temperatury temperatury krytyczne; krytyczne; • Związki pierwiastków • Problemy z innymi nadprzewodzących; właściwościami; • Jedna określona wartość • Dwie wartości krytyczne krytyczna Hc. Hc1 i Hc2 Ruch wirów w nadprzewodnikach II rodzaju Substancja dalej nadprzewodząca poza nitkami wewnątrz wirów, przez które przechodzi pole magnetyczne. Wiry oddziałują z zewnętrznym polem, działa na nie siła Lorenza powodująca ich ruch. FL=J X B Zjawisko to jest bardzo szkodliwe w praktycznych zastosowaniach, gdyż zmniejsza gęstość prądu krytycznego. Przewodnictwo •Sieć dodatnich jonów wypełnia gaz elektronowy; •Jeśli na układ będziemy oddziaływać, zewnętrznym polem elektrycznym, to popłynie prąd; •Temperaturowa zależność przewodnictwa: ρ=ρi+ρk(T) • W temperaturze T = 0 K maksymalną energię elektronu wewnątrz metalu nazywamy energią Fermiego ħ – stała Plancka h, dzielona przez 2π m – masa elektronów Teoria nadprzewodnictwa • Nośniki prądu – Pary elektronów (pary Coopera); Pary Coopera, to Bozony. W przeciwieństwie do Fermionów, nie obowiązuje zakaz Pauliego. KONDENSACJA BOSEGO-EINSTEINA Prawdopodobieństwo, że do grupy cząstek w pewnym stanie dojdą kolejne, jest tym większe im więcej cząstek już w tym stanie przebywa. Jak powstają pary Coopera? Elektron przybliża jon dodatni tworząc fonon. Naładowany dodatnio region przyciąga elektron. Częstotliwość fononu jest bardzo duża. Siła odpychania między elektronami jest nie odczuwalna! dlaczego pary Coopera nadprzewodzą? Sumaryczny spin i pęd p-c jest równy 0, co odpowiada fali o nieskończonej długości, a ta może się załamywać jedynie na obiektach podobnej wielkości do długości fali. Ponadto Istnienie w parze 2 elektronów z energetycznego punktu widzenia jest korzystniejsze od niezależnego trwania! DLATEGO Pomimo zderzeń np. z defektami sieci pary Coopera, w przeciwieństwie do pojedynczych elektronów nie są rozpraszane !!! Wyjaśnienie efektu Meissnera-Ochsenfelda E = ρ⋅J | ρ = 0 => E=0. Z równania Maxwella: Stąd: B = const Równania Londonów • Bracia Londonowie pierwsi opisali zanik oporu. I równanie Londonów me E J J s 2 s t ns q t me 2 J s B B1 ns q E B / t me 2 J s B 0 t ns q W nadprzewodnikach B=m0H 0ns q 2 Js H me II równanie Londonów 1 me J s 2 H gdzie L L 0ns q 2 Skąd - Londonowska głębokość wnikania pola H Pole krytyczne i prąd krytyczny Hc(T)=Hc(0)(1-(T/Tc)^2) Podział Zastosowań •Silnoprądowe • Elektronika bardzo słabych sygnałów ZASTOSOWANIA Kable nadprzewodzące Nadprzewodzące elektromagnesy Lewitacja Własności nadprzewodników • Nadprzewodnictwo jest zarówno własnością elektryczną i magnetyczną ciała stałego. =n0 0=h/2e=2*10-15Wb S=1mm2B=2*10-9T • Podstawowe własności: – Zanik oporu elektrycznego; – Spadek podatności magnetycznej; – Wystąpienie absorpcji mikrofalowej; Złącza Josephsona Połączenie dwóch nadprzewodników izolatorem I=I1 sin φ – Natężenie prądu tunelującego przez złącze Josephsona. Złącza Josephsona mają zastosowania przy wykrywaniu bardzo małych pól magnetycznych (SQUID – magnetografia) a także w przełączaniu układu. Są około 1000 razy szybsze niż układy krzemowe. SQUID SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) jest urządzeniem pozwalającym wykrywać najmniejsze zmiany pola magnetycznego. SQUID zbudowany jest z nadprzewodzącej pętli w której znajdują się dwa złącza Josephsona. Złącze to potrafi wykryć minimalne zmiany pola magnetycznego i wytwarza ono dodatkowe natężenie. Jego analiza może pomóc w zanalizowaniu pola magnetycznego V -2 -1 / 1 2 Czułość 10V/0 SQUID - Zastosowanie SQUID-y są bardzo często stosowane w medycynie, zwłaszcza w magnetografii i magnetokardiografi. Pozwala on na poznanie zasady działania serce, oraz co ciekawsze naszego mózgu (SQUID pozwala zaobserwować zjawiska dziejące się w mózgu a nie jego budowę). Badania te są nieocenione we współczesnej medycynie. Inne zastosowania: • Meteorologia (SQUID); • DC-SQUID; • Transformatory strumienia magnetycznego; • Supertrony; • Łożyska nadprzewodzące; • Technika obliczeniowa; • Mikrofalowe rezonatory; • Nadprzewodzące komputery kwantowe; Nowinki • Pierwszy tranzystor cieplny (Heat transistor); • 175 K – Nowy rekord temperatury krytycznej, dla Sn1.4In0.6Ba4Tm5Cu7O20+ ; • NASA otrzymała 400 mln USD na nowe nadprzewodzące komponenty komputerowe, nadprzewodzący procesor ma działać 1000 razy szybciej; Bibliografia • Michel Cyrot, Davor Pavuna - Wstęp do Nadprzewodnictwa, PWN 1996 Warszawa • Jan Stankowski, Borysław Czyżak – Nadprzewodnictwo, WNT 1999 Warszawa • Stefan Janiczek – Podstawy Krioelektrotechniki, Politechnika Częstochowska 1993 Częstochowa.
