Supergeleiding

1. Supergeleiding • Hot Science, High Tech en.. • Super Cool!

2. Supergeleiding in de klas: Nascholing voor leraren.

3. Inhoud Een cursus van één dag over: De geschiedenis en theorie van supergeleiding. Supergeleiding in het leerplan. Practische activiteiten met hoge temperatuur supergeleiders.

4. Een supergeleider die de veldlijnen vasthoudt, opgesteld beneden een magneet.Suspension and Levitation Kit K15Colorado Superconductor Inc. www.users.qwest.net/~csconductor/

5. Supergeleiding:tijdslijn van de geschiedenis & theorie “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)

6. Supergeleiding:tijdslijn 1877 • Cailletet en Pictet maken onafhankelijk van elkaar zuurstof vloeibaar 1894 • Kamerlingh Onnes maakt stikstof vloeibaar nitrogen 1898 • Dewar maakt waterstof vloeibaar

7. Supergeleiding: tijdslijn 1908 • Kamerlingh Onnes maak helium vloeibaar 1911 • Hij ontdekt supergeleiding in kwik • Metingen door Gilles Holst (later directeur Philipslaboratorium) met Wheatstonebrug; slechts dankwoord!

8. 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!

9. Supergeleiding:tijdslijn 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

10. Klassieke diamagneten bij superhoge velden (50 T) in Nijmegen

11. Supergeleiding:tijdslijn • Van 1911 tot 1933 was het onderzoek naar supergeleiding beperkt tot Leiden, Berlin en Toronto • De enige laboratoria met toegang tot vloeibaar Helium.

12. Supergeleiding:tijdslijn 1957 • Bardeen, Cooper en Schrieffer stellen de BCS theorie voor 1986 • Bednorz en Müller ontdekken supergeleidende oxides 2003 • Nobel Prijs voor de Natuurkunde

13. Theorie van de supergeleiding • 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

14. Nobelprijs winnaars 2003 Aleksei Abrikosov Vasily Ginzburg Anthony Legget

15. Supergeleiders • 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

16. Supergeleidende materialen • 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

17. Niet-supergeleidende materialen • 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

18. Supergeleidende materialen Conventioneel oxide

19. Supergeleiders en normale geleiders ρ ρ normale geleider, b.v. Cu supergeleider

20. Kritieke temperatuur en kritiek magneetveld B BC T TC

21. 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)

22. ρ Bext Bc Type I supergeleider

23. ρ Bext Bc Type II supergeleider

24. Magnetische wervellijnen Niet altijd een perfecte diamagneet Abrikosov Meissner toestand

25. Penetratie van het magneetveld Oppervlak van de supergeleider B x

26. 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.

27. Josephson!

28. 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..

29. 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):

30. 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!

31. 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

32. De BCS theorie:van fermion tot boson door middel van een fonon!? John Bardeen Leon Cooper Bob Schrieffer

33. Het fasediagram van een supergeleider 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!

34. 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.

35. www.superconductors.org Cooper paren

36. 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!

37. Koperoxide supergeleiders geven de hoogste kritieke temperatuur • Bros • Niet-metaal • Waarom geleidt het eigenlijk?

38. Koperoxides Hg0.8Tl0.2Ba2Ca2Cu3O8.33 HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 aka BSCCO Liquid Nitrogen YBa2Cu3O7 aka YBCO Niobium La1.8Sr0.2CuO4 Mercury NbN Nb3Ge Nb3Sn Lead

39. Koperoxides LSCO YBCO7 HgCuO

40. Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO

41. Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO Cu + O

42. Koperoxides scheikunde … HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu O CuO Zeer complex Cu + O

43. Koperoxides scheikunde … zeer complex HgBa2Ca2Cu3O8 Tl2Ba2Ca2Cu3O10 Bi2Sr2Ca2Cu3O10 La1.8Sr0.2CuO4 Cu + O zeer complex Cu O CuO Cu + O zeer complex Cu + O Supergeleidend

44. Koperoxides Supergeleidende CuO vlakken

45. Video Demonstratie Het Meissner effect: stabiliteit door flux pinning

46. Gebruik van de computertoepassing Wat gebeurt er met een LED bij zeer lage temperaturen?

47. Hands-on activiteiten • 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!