SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 1 Supergeleiding Hot...
-
Upload
anneleen-pauwels -
Category
Documents
-
view
218 -
download
3
Transcript of SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 1 Supergeleiding Hot...
1SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Supergeleiding
• Hot Science, High Tech en..
• Super Cool!
SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Supergeleiding in de klas: Nascholing voor leraren.
3SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
•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
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Een supergeleider die de veldlijnen vasthoudt, opgesteld beneden een magneet.
Suspension and Levitation Kit K15Colorado Superconductor Inc. www.users.qwest.net/~csconductor/
5SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
“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
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
Supergeleiding:tijdslijn
10SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Klassieke diamagneten bij superhoge velden (50 T) in Nijmegen
11SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• Van 1911 tot 1933 was het onderzoek naar supergeleiding beperkt tot Leiden, Berlin en Toronto
• De enige laboratoria met toegang tot vloeibaar Helium.
Supergeleiding:tijdslijn
12SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
1957• Bardeen, Cooper en Schrieffer stellen de BCS
theorie voor
1986• Bednorz en Müller ontdekken supergeleidende
oxides
2003• Nobel Prijs voor de Natuurkunde
Supergeleiding:tijdslijn
13SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• 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
14SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Aleksei Abrikosov Vasily Ginzburg Anthony Legget
Nobelprijs winnaars 2003
15SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• 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
16SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• 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
17SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• 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
18SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Conventioneel
oxide
Supergeleidende materialen
19SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
supergeleider normale geleider, b.v. Cu
ρ ρ
Supergeleiders en normale geleiders
20SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
B
TTC
BC
Kritieke temperatuur en kritiek magneetveld
21SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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)
22SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Bext
Bc
ρ
Type I supergeleider
23SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Type II supergeleider
Bext
Bc
ρ
24SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Niet altijd een perfecte diamagneet
Magnetische wervellijnen
Meissner toestand
Abrikosov
25SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
x
B
Penetratie van het magneetveld
Oppervlak van de supergeleider
20
0 2
mc
ne
26SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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.
27SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Josephson!
28SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
29SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
30SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• 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!
31SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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!
32SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
John Bardeen Leon Cooper Bob Schrieffer
De BCS theorie:van fermion tot boson door middel van een fonon!?
33SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
34SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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.
35SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
www.superconductors.org
Cooper paren
36SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
37SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Bros Niet-metaal Waarom geleidt het
eigenlijk?
Koperoxide supergeleiders geven de hoogste kritieke temperatuur
38SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
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
39SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
YBCO7 HgCuOLSCO
Koperoxides
40SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Koperoxides
HgBa2Ca2Cu3O8
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
La1.8Sr0.2CuO4
scheikunde …
Cu O
CuO
41SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Koperoxides
HgBa2Ca2Cu3O8
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
La1.8Sr0.2CuO4
scheikunde …
Cu O
CuO
Cu + O
42SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Cu + OZeer complex
HgBa2Ca2Cu3O8
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
La1.8Sr0.2CuO4
scheikunde …
Cu O
CuO
Koperoxides
43SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Cu + Ozeer complex
Cu + Ozeer complex
Cu + O zeer complex
HgBa2Ca2Cu3O8
Tl2Ba2Ca2Cu3O10
Bi2Sr2Ca2Cu3O10
La1.8Sr0.2CuO4
scheikunde …
Cu O
CuO
Supergeleidend
Koperoxides
44SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Supergeleidende CuO vlakken
Koperoxides
45SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Video Demonstratie
Het Meissner effect: stabiliteit door flux pinning
46SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
Wat gebeurt er met een LED bij zeer lage temperaturen?
Gebruik van de computertoepassing
47SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA
• 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
48SUPERCOMET Project
Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA