Szupravezetés. Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Dr. Mészáros István. Előadásvázlat 2013.

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Szupravezetés. Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Dr. Mészáros István. Előadásvázlat 2013."

Kristóf Gáspár
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Dr. Mészáros István Szupravezetés Előadásvázlat Mágneses tér mérő szenzorok (DC, AC) Erő ill. nyomaték mérésen alapuló eszközök Tekercs (induktív) Magnetorezisztív elemek (MR) Giant magnetorezisztív (GMR) Hall-szonda Förster-szonda Fluxgate Fluxset Squid 1

2 Szupravezetés Kamerlingh 1911 (Hg) 28 elem és több mint 1000 vegyület Nb 7,5K Hg 4.15 K Nb 3 Sn 18,1K Nb 3 Al 17,5K V 3 Si 17K V 3 Ga 16,8K Elem nem lehet szupravezető ha: egy vegyértékű rendezett mágneses szerkezete van Higany ellenállásának hőmérsékletfüggése Kammerlingh-Onnes mérése,

3 Bardeen-Cooper-Schrieffer BCS-elmélet Szupravezető állapotban: Cooper-párok (2e - töltés) (+1/2) - (-1/2) spínű elektron párok a töltéshordozók nincs taszító kölcsönhatás Cooper-pár: elektron-fonon-elektron kölcsönhatás Elektron hullám terjed rácsrezgést (fonon) kelthet pályája megváltozik Másik terjedő elektron a rezgő rácsot érzi a rácsrezgést megszüntetheti (a fonont elnyelheti) pályája megváltozik A rács közvetítésével tehát a két elektron egymás pályáját befolyásolja. Ha ez elég erős, a két elektronból kötött pár alakulhat ki. Ezt nevezzük Cooper-párnak. Nem érvényes rájuk a Pauli elv betöltött szintet is elfoglalhatnak. Josephson-jelenség 3

Az elektronok csak akkor juthatnak át a szigetelőn ha a túloldalon van betöltetlen energiaszint.

4 Elektronok alagutazása M-I-M átmenetben Alagút effektus (fölötte nem de keresztül igen) A hullámfüggvény mindkét oldalról belóg a szigetelőbe. Az elektronok csak akkor juthatnak át a szigetelőn ha a túloldalon van betöltetlen energiaszint. Azaz, ha van feszültség különbség. Cooper-párok alagutazása S-I-S átmenetben Josephson-jelenség A Cooper-pár akkor is átalagutazhat a másik oldalra ha nincs feszültségkülönbség. Nem érvényes a Pauli-elv. 4

5 Josephsoninterferencia SQUID elve Két párhuzamosan kapcsolt Josephson-átmenet (szupra-szigetelő-szupra) A gyűrű belsejében haladó mágneses erővonalak megváltoztatják a Cooperpárok fázisviszonyait interferencia áram erőssége függ a B-től. SQUID (szupravezető kvantum interferométer) Érzékenység: fempto T (10-15 T) Meissner-effektus Mágneses tér erővonalai kiszorulnak Szupravezető: ideális diamágnes (I. fajú) B = µ 0 M = κh ( H + M ) B = 0 H = M κ = 1 5

6 Szupravezető I. fajú II. fajú Behatoló B vonalak a II. fajú szupravezetőbe Vortex vonalak I. és II. fajú szupravezetők M mágnesezettségének alakulása a külső tér függvényében Hc1: alsó kritikus térerő Hc2: felső kritikus térerő Hc1 alatt: ideális diamágnes Hc1-Hc2: H tér behatol Meissner-Higgs effektus Szupravezető állaptban T<T c I. fajú: (Pb) a B-vonalak kiszorulnak a mintából (B belül =0) (A szupravezetőben belül indukálódó áramok tere kompenzálja a külső tér indukcióját.) II. fajú: (Nb) a B a minta nagyrészéből kiszorul (B=0) csak a hiba ún. vortex vonalak mentén sűrűsödik. A B-vonalak a minta felületébe (és a vortexek környezetében) ~10 nm mélységben behatolnak a szupravezetőbe. 6

7 Szupravezető Elem Ötvözet Vegyület (intermetallikus) Kerámia (rideg, törékeny, magas Tc) Többkomponensű Magas hőmérsékletű szupravezető: T c > 77 K (-196 ºC) folyékony nitrogén/levegő Szupravezető elemek a periódusos rendszerben 7

8 Ismertebb I. és II. fajú szupravezető elemek és T c (K) Al 1,18 Ti V Zn Ga 0,39 5,03 0,86 1,09 Zr Nb *** Cd In Sn 0,55 9,5 0,52 3,41 3,72 Ta Hg Tl Pb 4,48 4,15 2,37 7,19 Néhány többkomponensű szupravezető ( Több ezer ismert. Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O K (Rekord tartó) TET HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O K TET Tl 0.5 Pb 0.5 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O K TET Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O K ORTR Ca 1-x Sr x CuO K (legmagasabb Tc 4 komp.) GdBa 2 Cu 3 O 7 94 K TET YBa 2 Cu 3 O 7 93 K TET Nb 3 Ge 23,2 K Perovszkit (β-volfram) Nb 3 Si 19 K Perovszkit (β-volfram) Nb 3 Al 18 K Perovszkit (β-volfram) 8

9 Perovskit-szerkezet β-volfram pl: Nb 3 Sn A Perovszkit szerkezet Az A 3 B képletű (vegyületfázis) szupravezetők szerkezete többségében ilyen. T C, H C, (J C ) H = H C T 1 TC 2 j H = 2 rπ 9

10 Fejlesztési irányok: T c, H c, technológia Alkalmazások: Tekercs (nagy indukciójú terek előállítása) SQUID (kis indukciók mérése B < 0,01 nt) Lebegtetés (vasút) Energiatárolás (szupravezető csapágy, lendkerék) Távvezeték (vesztesség nélküli áramtovábbítás) Technológiai problémák Rideg, törékeny alakos testek (pl. tekercs gyártása) Szupravezető tekercs (Nb 3 Sn) Nb(tkk) + Sn(tetragonális) porkeverék Cu csőben + hőkezelés típusú szupravezetők (T c =80-90 K) Y-X 2 -Cu 3 -O 7 Y: ritkaföldfém: Ittrium (Y), Gadolínium (Gd), Túlium (Tm) X: Ba, Ca, K Például: Y-Ba 2 -Cu 3 -O 7 YBCO, T c =93 K, tetragonális Valós szerkezet: Cu-Ba 2 -Y-Cu 2 -O 7 azaz: Előállítás: Y 2 O 3 + Ba(OH) 2 x 8 H 2 O + CuO YBa 2 Cu 3 O 7 Porok préselése + hőkezelés 10

Hasonló dokumentumok

Elektromos vezetési tulajdonságok Fémek, szupravezetők

Elektromos tulajdonságok Fémek, szupravezetők Roncsolásmentes anyagvizsgálat tárgy 2017. Dr. Mészáros István BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Elektromos vezetési tulajdonságok Fémek, szupravezetők