Een voorbeeld van de wetenschappelijke cyclus: Supergeleiding

Presentatie over: "Een voorbeeld van de wetenschappelijke cyclus: Supergeleiding"— Transcript van de presentatie:

1 Een voorbeeld van de wetenschappelijke cyclus: Supergeleiding
Jeroen Goedkoop Zaanlands College Jeroen Goedkoop 2012

2 Nobel Prizes for superconductivity: Girls wanted
Heike Kamerling Onnes Lev Davidovich Landau John Bardeen Leon Neil Cooper John Robert Schrieffer Ivar Giaever J. Georg Bednorz K. Alexander Müller Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett Brian David Josephson

3 Supergeleiding Heike Kamerlingh Onnes 1911: Maakt helium vloeibaar
1913: Ontdekking supergeleiding

4 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

5 Naar kamertemperatuur supergeleiding???
Overgangstemperatuur voor supergeleiding vs. jaar van ontdekking Supergeleiding leek rond 1980 klaar Jeroen Goedkoop 2012

6 En Toen: Jeroen Goedkoop 2012

7 Hoge Tc supergeleiders
1986 Nieuwe klasse ontdekt Geen metalen maar oxides Uitgangsmateriaal is isolator Tc 10x hoger dan in metalen! Kenmerk: CuO vlakken Geen BCS supergeleiders YBa2Cu3O7 Jeroen Goedkoop 2012

8 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

9 Eigenschappen van supergeleiders
Uit het college Gecondenseerde Materie 2 (jaar 3 van de bachelor) Eigenschappen van supergeleiders

10 Superconductors 10.1. Introduction
10.2. Magnetic Properties of Superconductors 10.3. The London equation* 10.4. The Theory of Superconductivity* 10.5. Macroscopic Quantum Phenomena* 10.6. High Temperature Superconductors* Kamerlingh Onnes 1908: Helium vloeibaar 1911: Supergeleiding Alexei A. Abrikosov Vitaly L. Ginzburg Anthony J. Leggett Nobelprijs 2003:

11 Supergeleidend! 1. Beneden kritische temperatuur TC verdwijnt weerstand I

12 Voorkomen onder elementen:

13 Op naar kamertemperatuur!

14 Perfect diamagnetisme
2. In lange dunne staven // B: Expulsie van magnetische flux 3. Afschermstromen aan oppervlak 4. Repulsieve kracht  levitatie bij afkoelen B = 0 Movie

15 Perfect diamagnetisme - vervolg
Kleine velden, groter dan kritisch veld Bc , vernietigen al supergeleiding B < Bc B > Bc Voorbeeld: Kwik (Tc = 4.2 K) BC (mT) T (K) Superconducting Normal TC Bc is temperatuurafhankelijk Uitdrukking goed bij Tc, verder niet meer dan interpolatie naar Bc

16 Kritische stroom 7. Supergeleiding wordt vernietigd als de supergeleidende stroom een magneetveld B > BC produceert Veld het grootst aan rand van stroomdraad I

17 Magnetisatie: Perfect diamagnetisme
Be (mT) - μ0 M (mT) Voorbeeld: Lange loden staaf (Soms kleine hysterese door fluxopsluiting) B B 8. Magnetisatie is evenredig met B

18 Imperfect diamagnetisme
Andere vormen dan lange cilinder: intermediate state Voorbeeld: Bol in magnetisch veld Veld aan equator hoger door flux expulse overgang wordt waargenomen bij Be = 2/3 Bc Zwart: normaal Wit: supergeleidend

19 Thermodynamica 9. Anomalie (sprong) in soortelijke warmte Cv bij kritische temperatuur TC Normal metal (Weak field) Superconductor TC Al T (K) Soortelijke warmte Exponentieel groeiende Cv (voorT 0) is karakteristiek voor energie gap (Δ) in excitatiespectrum. vgl. twee-niveau systeem:

20 Flux penetration in MgB2 @ 3K

21 Isotope effect TC wordt hoger als je lichtere isotopen gebruikt!
TC ~ M0.5  fononen spelen een rol !

22 Tunneling spectroscopie: Supergeleidende band gap
Tunnel junctie STM Pt Nb oxide Nb

23 4 K STM spectroscopie van BaFe2-xCoxAs2

24 Hoge Tc supergeleiders
1986 Nieuwe klasse ontdekt Geen metalen maar oxides Uitgangsmateriaal is isolator Tc 10x hoger dan in metalen! Kenmerk: CuO vlakken Geen BCS supergeleiders YBa2Cu3O7 Jeroen Goedkoop 2012

25 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

26 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?

27 2028 theory