BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék Dr. Mészáros István Szupravezetés Előadásvázlat 2013. 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
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, 1911 2
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
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
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
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
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
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 (www.superconductors.org) Több ezer ismert. Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.33 138 K (Rekord tartó) TET HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 133-135 K TET Tl 0.5 Pb 0.5 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 9 118-120 K TET Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 110 K ORTR Ca 1-x Sr x CuO 2 110 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
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
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 1-2-3 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: 1-2-1-2 Előállítás: Y 2 O 3 + Ba(OH) 2 x 8 H 2 O + CuO YBa 2 Cu 3 O 7 Porok préselése + hőkezelés 10