Een voorbeeld van de wetenschappelijke cyclus: Supergeleiding Jeroen Goedkoop Zaanlands College...
-
Upload
juliana-beckers -
Category
Documents
-
view
215 -
download
0
Transcript of Een voorbeeld van de wetenschappelijke cyclus: Supergeleiding Jeroen Goedkoop Zaanlands College...
Een voorbeeld van de wetenschappelijke cyclus:
Supergeleiding
Jeroen Goedkoop
Zaanlands College
• Jeroen Goedkoop
• 2012
Nobel Prizes for superconductivity: Girls wanted
Lev Davidovich Landau
John Bardeen Leon Neil Cooper
John Robert Schrieffer
Heike KamerlingOnnes
J. Georg Bednorz
K. Alexander Müller
Ivar Giaever
Brian David Josephson
Alexei A. Abrikosov
Vitaly L. Ginzburg
Anthony J. Leggett
Supergeleiding
• Heike Kamerlingh Onnes • 1911: Maakt helium vloeibaar• 1913: Ontdekking supergeleiding
43 jaar later: BCS theorie
1957 Theoretische verklaring
Koppeling van electronen (Fermionen) tot Cooperparen (Bosonen)
Condensatie van Cooperparen in macroscopische golffunctie die door het hele materiaal loopt: geen weerstand door onzuiverheden of roostertrillingen
Voorspelling: Supergeleiding boven ~40 K niet mogelijk
• Jeroen Goedkoop
• 2012
Naar kamertemperatuur supergeleiding???
• Jeroen Goedkoop
• 2012
Overgangstemperatuur voor supergeleidingvs. jaar van ontdekkingSupergeleiding leek rond 1980 klaar
En Toen:
• Jeroen Goedkoop
• 2012
Hoge Tc supergeleiders
• Jeroen Goedkoop
• 2012
1986 Nieuwe klasse ontdekt
• YBa2Cu3O7
o Geen metalen maar oxideso Uitgangsmateriaal is
isolatoro Tc 10x hoger dan in
metalen!o Kenmerk: CuO vlakkeno Geen BCS supergeleiders
Waarom naar kamertemperatuur Supergeleiding?
Kamertemperatuur supergeleiding zou een enorme impact hebben:
~10 % van elektriciteit gaat verloren in transport naar huishoudens ~2 centrales minder in Nederland
Weerstandsloze motoren (stofzuiger, autos, …) Zwevende treinen
EIGENSCHAPPEN VAN SUPERGELEIDERS
Uit het college Gecondenseerde Materie 2 (jaar 3 van de bachelor)
Superconductors10.1. Introduction10.2. Magnetic Properties of
Superconductors10.3. The London equation*10.4. The Theory of Superconductivity*10.5. Macroscopic Quantum Phenomena*10.6. High Temperature Superconductors*
Kamerlingh Onnes 1908: Helium vloeibaar1911: Supergeleiding
Nobelprijs 2003: www.nobel.se
Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett
Supergeleidend!
1. Beneden kritische temperatuur TC verdwijnt weerstand
I
k 100
R IRV
Voorkomen onder elementen:
Op naar kamertemperatuur!
2. In lange dunne staven // B:Expulsie van magnetische flux
Perfect diamagnetisme
3. Afschermstromen aan oppervlak
4. Repulsieve kracht levitatie bij afkoelen
B = 0
Movie
5. Kleine velden, groter dan kritisch veld Bc , vernietigen al supergeleiding
Perfect diamagnetisme - vervolg
Voorbeeld: Kwik (Tc = 4.2 K)
40
20
0 2 4
BC
(mT)
T (K)
Superconducting
Normal
TC
6. Bc is temperatuurafhankelijk
B > BcB < Bc
2
1)0()(C
CC T
TBTB
Uitdrukking goed bij Tc,
verder niet meer dan interpolatie naar Bc
)0(CB
Kritische stroom
7. Supergeleiding wordt vernietigd als de supergeleidende stroom een magneetveld B > BC produceert
I
Id 0 lBr
IB
2
0
Veld het grootst aan rand van stroomdraad 0rr
C0
0C
2B
rI
0rr
0r
Magnetisatie: Perfect diamagnetisme
8. Magnetisatie is evenredig met B
HM
Be (mT)
- μ
0 M
(m
T)
Voorbeeld: Lange loden staaf
(Soms kleine hysterese door fluxopsluiting)
1H
M B
iB
Veld aan equator hoger door flux expulse
Andere vormen dan lange cilinder: intermediate state
Imperfect diamagnetisme
Zwart: normaalWit: supergeleidend
Voorbeeld: Bol in magnetisch veld
overgang wordt waargenomen bij Be = 2/3 Bc
Thermodynamica
9. Anomalie (sprong) in soortelijke warmte Cv bij kritische temperatuur TC
Normal metal(Weak field)
Superconductor
TC
AlSC
NC
T (K)
Soort
elij
ke
warm
te
)/exp( TkC BV
Exponentieel groeiende Cv (voorT 0) is karakteristiek voor energie gap (Δ) in excitatiespectrum.vgl. twee-niveau systeem:
01
2
i
Tki
Tki
Bi
Bi
e
eU /
/
Tk
Tk
Tk
BBV
B
B
B
ee
e
Tkk
T
UC /
2/
/2
1
0T
Flux penetration in MgB2 @ 3K
http://www.fys.uio.no/super/dend/#movie
Isotope effectTC wordt hoger als je lichtere isotopen gebruikt!
TC ~ M0.5
fononen spelen een rol !
Tunneling spectroscopie: Supergeleidende band gap
PtNb oxideNb
Tunnel junctie STM
4 K STM spectroscopie van BaFe2-
xCoxAs2
Hoge Tc supergeleiders
• Jeroen Goedkoop
• 2012
1986 Nieuwe klasse ontdekt
• YBa2Cu3O7
o Geen metalen maar oxideso Uitgangsmateriaal is
isolatoro Tc 10x hoger dan in
metalen!o Kenmerk: CuO vlakkeno Geen BCS supergeleiders
De supergeleidende golffunctie Electronen met tegengestelde k en spin vormen
Cooperparen |k,-k> • Totale impuls 0, totale spin=0
Cooperparen condenseren in supergeleidende grondtoestand met golffunctie= 0 e-i
• Golffunctie is constant in ruimte
• Amplitude bepaald door dichtheid van supergeleidende electronen: nsc = |0
* 0 |
• Fase varieert over correlatielengte x
(r)= 0 ei(r)
• ©Jeroen Goedkoop
• 2005/2007
Resumé Fenomenologie
• Weerstand verdwijnt• Perfect diamagnetisme
- Type 1: totale fluxexpulsie onder TC
- Type 2: penetratie van fluxquanta tussen HC1 en HC2 (mixed state, Abrikosov rooster)
• Anomalie in soortelijke warmte Cv London penetratie lengte l BCS:
• Opening van gap aan EF
• Vorming van Cooper paren door attractieve interactie via virtuele fononen (cooperatief)
• Grootte van paren gegeven door coherentielengte x HTCS:
• How do they do it?
2028
theory