Supraledning idag och i framtiden Vladimir Krasnov Experimentell Kondenserade Materiens Fysik

1. Supraledning idag och i framtiden Vladimir Krasnov Experimentell Kondenserade Materiens Fysik Fysikum, AlbaNova, SU Office: A2:1054 E-mail: vladimir.krasnov@physto.se http://www.ekmf.physto.se/Supraledning/WWW/Supraledning.htm/ Lärardagen 30 Oktober 2007, Stockholm

2. 1. Supraledning: upptäcktens historia Elektrisk ledning i metaller Normalt tillstånd I metaller: Elektroner är fri från atomer och kan bära elektrisk ström De bästa metallerna: Au, Ag, Cu har svag växelverkan mellan fria elektroner och kristallgitter vibrationer (fononer) Elektrisk motstånd: Elektroner sprids av kollisioner mellan kristallgittervibrationer och föroreningar

3. Elektrisk ledning i metaller Vid låga temperaturer: gittervibrationer fryser ut och elektrisk motstånd minskar Debatt i början an 1900-talet: Vad ska hända vid T = 0 ? Nol resistans p.g.a. att atomer är infrusna Oändlig resistans p.g.a. att elektroner är infrusna Konstant resistans p.g.a. kvarstående kollisioner med föroreningarna

4. 2008: 100 år av He4 förvätskning: LT25 konferens, Leiden • Resistans av kvicksilver försvinner under ~4.2 K • Skarp övergång vid Tc i motsats till gradvis minskning av R(T)i normala metaller

5. Kända supraledande elementer Supraledning är ett vanligt fenomen i Naturen! Förekommer i de flesta elementära metaller, samt massor av legeringar och föreningar Med undantaget att: de Bästa och Magnetiska metallerna aldrig blir Supraledare

6. Jakten efter hög-temperatur supraledning Är det möjligt att nå Tc > 30K ???

7. Perovskites: Isolatorer i ”rent” form Metall tillstånd (och supraledning) uppnås genom dopning

8. 2. Egenskaper: supraledare – inte bara perfekta metaller Meissner effekt: Walter Meissner och Robert Ochsenfeld (1933) Supraledare undantränger magnet fält Perfekt diamagnetism: B = 0 Det gör inte perfekta normala metaller

9. Magnetiseringskurvor av supraledare typ-I och typ-II supraledare Kritiskt magnet fält Absolut diamagnetism, B=0 Partiell diamagnetism, B < H

10. Förklarning av “mixed state” i typ-II supraledare Type-II supraledare (1953 publiserat i 1957)

12. Virvlar i Naturen Fri virvel: rxv = const Rörelsemängds moment konservering Orkans “Bulls eye” Abrikosovs virvel är Magnetiskt (Elektrisk ströms cirkulation) och Kvantiserat 0 = hc/2e Flux kvantum Electron holography: T.Matsuda, et al, Phys.Rev.Lett. 62 (1989) 2519 Dubbel laddning!

13. 3. Förklarning av supraledning

14. Fermioner och Bosoner Pauli principen Bose-kondensering E E sannolikhet att hitta partikel i ett kvanttillstånd med energin E f f 1 0 1 0 Fermi-Dirac-statistiken Bose-Einstein-statistiken

15. Fermioner och Bosoner Spinn = Halvtal Spinn = Heltal Elektron, s=1/2 Proton, s=1/2 Neutron, s=1/2 … Photon, s=1 W och Z boson Gluon He-3: 2 elektroner +2 protoner +1 neutron s = 5/2 He-4: 2 elektroner +2 protoner +2 neutroner s = 3 Bose-kondensering och Suprafluiditet vid T = 2.17 K He-4 atomer tillhör samma tillstånd = är faskoherenta. Spridning av en enstaka atom berör hela kondensat

16. Supraledning – Suprafluiditet av elektron kondensat Suprafluiditet fonon elektron MEN! ELEKTONER ÄR FERMIONER som inte bose-kondenserar

17. Sista steg till Supraledning: Parning av elektroner Cooper par “singlet” par s = ½ - ½ = 0 Parning omvandlar elektroner från Fermioner till Bosoner Bose kondenserade elektroner tillhör samma tillstånd och är fas koherenta

18. Makroskopiska kvantmekaniska fenomen i supraledare Fraunhofer diffraktion Supercond.QUant.Interf.Device SQUID

19. SQUID:Supraledande sensorer och detektorer Flux - Field - Current - Voltage ~10-15 V/√Hz ~10-6F0 /√Hz =2x10-21 Wb/√Hz ~10-10 G/√Hz Tillämpningar:

20. SQUID sensorer för non-destructive testing

21. Supraledande kablar

24. ONE PROJECT IS BUILDING A PROTOTYPE 5-10 MVA SUPERCONDUCTING TRANSFORMER HTS transformers offer the possibility of • 2x overload operation without shortening lives • reduced need for back-up transformers • no fire hazard • lighter and smaller, more power thru existing facilities underground siting anticipated challenges: • cost of HTS • AC losses • cost&reliability of cryo-coolers Waukesha Electric’s 5-10 MVA prototype ready for testing commercial-scale is 30-60 MVA

25. HTSC filters for telecommunication

26. HTSC filters for telecommunication Factor 8

28. Slutsats: • Unika egenskaper av supraledare används i olika tillämpningar från högkraftelanläggningar och extrem starka magneter till superkänsliga kvantsensorer och nya kvantelektronikkomponenter. • Supraledning har stor betydelse för grundforskning: • Supraledning var och är an ”lekplats” och ”krigsfält” för utveckling av nya teoretiska idéer och experimentella tekniker inom modern kondenserade materiens fysik.

31. Interlayer (intrinsic) tunneling in HTSC Bi2Sr2CaCu2O8+x : anisotropy rc/rab ~106 c-axis High - Tc superconductor -> Intrinsic Josephson effect at T<Tc

32. Au Mesa FIB cut CaF2 Bi-2212 d) Sample fabrication: 1. Self-alignment Cross-bar Photolithography Bi-2212 Au CaF2 Ph. Res. a) 2. Trimming by Focused Ion Beam writing b) c)

33. Evidence for co-existence of the Superconducting- and the Pseudo-gaps Optimally doped Bi-2212 Dynamic conductance of a Bi2212 mesa atdifferent T. Inset shows detailed curvesfor high T. Coexistence of the superconducting peak, VS, andthe pseudo-gap hump, VPG, is clearly visible at T=77.7 K. From: V.M.Krasnov, et.al., Phys.Rev.Lett. 84 (2000) 5860

34. Temperature dependence V.M.Krasnov, et.al., Phys.Rev.Lett. 84 (2000) 5860

35. Prototype of the Josephson volt standard From: H.B.Wang et.al, Phys.Rev.Lett. 87 (2001) 107002