SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 1 Supergeleiding Hot Science, High Tech en.. Super Cool!

Presentatie over: "SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 1 Supergeleiding Hot Science, High Tech en.. Super Cool!"— Transcript van de presentatie:

1 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 1 Supergeleiding Hot Science, High Tech en.. Super Cool!

2 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA Supergeleiding in de klas: Nascholing voor leraren.

3 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 3 Een cursus van één dag over: De geschiedenis en theorie van supergeleiding. Supergeleiding in het leerplan. Practische activiteiten met hoge temperatuur supergeleiders. Inhoud

4 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 4 Een supergeleider die de veldlijnen vasthoudt, opgesteld beneden een magneet. Suspension and Levitation Kit K15 Colorado Superconductor Inc. www.users.qwest.net/~csconductor/

5 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 5 “wanneer de aarde sterk zou afkoelen zou de lucht, of althans sommige bestanddelen ervan, niet langer onzichtbaar blijven, maar overgaan in een vloeistof” (Lavoisier, 18 th eeuw) Supergeleiding: tijdslijn van de geschiedenis & theorie

6 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 6 1877 Cailletet en Pictet maken onafhankelijk van elkaar zuurstof vloeibaar 1894 Kamerlingh Onnes maakt stikstof vloeibaar nitrogen 1898 Dewar maakt waterstof vloeibaar Supergeleiding: tijdslijn

7 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 7 1908 Kamerlingh Onnes maak helium vloeibaar 1911 Hij ontdekt supergeleiding in kwik Metingen door Gilles Holst (later directeur Philipslaboratorium) met Wheatstonebrug; slechts dankwoord! Supergeleiding: tijdslijn

8 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 9 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 Supergeleiding: tijdslijn

10 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 10 Klassieke diamagneten bij superhoge velden (50 T) in Nijmegen

11 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 11 Van 1911 tot 1933 was het onderzoek naar supergeleiding beperkt tot Leiden, Berlin en Toronto De enige laboratoria met toegang tot vloeibaar Helium. Supergeleiding: tijdslijn

12 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 12 1957 Bardeen, Cooper en Schrieffer stellen de BCS theorie voor 1986 Bednorz en Müller ontdekken supergeleidende oxides 2003 Nobel Prijs voor de Natuurkunde Supergeleiding: tijdslijn

13 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 13 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 Theorie van de supergeleiding

14 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 14 Aleksei Abrikosov Vasily Ginzburg Anthony Legget Nobelprijs winnaars 2003

15 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 15 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 Supergeleiders

16 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 16 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 Supergeleidende materialen

17 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 17 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 Niet-supergeleidende materialen

18 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 18 Conventioneel oxide Supergeleidende materialen

19 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 19 supergeleider normale geleider, b.v. Cu ρρ Supergeleiders en normale geleiders

20 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 20 B T TCTC BCBC Kritieke temperatuur en kritiek magneetveld

21 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 21 Type I en type II supergeleiders B c overschreden: In type I krijgt het hele preparaat in één keer weerstand In type II is de overgang geleidelijk (door onzuiverheden)

22 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 22 B ext BcBc ρ Type I supergeleider

23 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 23 Type II supergeleider B ext BcBc ρ

24 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 24 Niet altijd een perfecte diamagneet Magnetische wervellijnen Meissner toestand Abrikosov

25 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 25 x B Penetratie van het magneetveld Oppervlak van de supergeleider

26 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 27 Josephson!

28 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 31 Hersens zien: MRI, Cat scans en.. SQUIDS De SQUID is in staat een verandering van één fluxquantum te meten! Omdatmeet de SQUID magneetvelden van Hersens: magneetveld Zo bestaat er ook een superfluïde SQUID Minimum circulatie quantum Soort gyroscoop, ultragevoelig voor rotaties

32 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 32 John Bardeen Leon CooperBob Schrieffer De BCS theorie: van fermion tot boson door middel van een fonon!?

33 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 35 www.superconductors.org Cooper paren

36 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 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 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 37 Bros Niet-metaal Waarom geleidt het eigenlijk? Koperoxide supergeleiders geven de hoogste kritieke temperatuur

38 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 38 Mercury Lead Niobium NbN Nb 3 Sn Nb 3 Ge La 1.8 Sr 0.2 CuO 4 YBa 2 Cu 3 O 7 aka YBCO Liquid Nitrogen Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 aka BSCCO Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8.3 3 Koperoxides

39 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 39 YBCO 7 HgCuO LSCO Koperoxides

40 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 40 Koperoxides HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 La 1.8 Sr 0.2 CuO 4 scheikunde … Cu O CuO

41 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 41 Koperoxides HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 La 1.8 Sr 0.2 CuO 4 scheikunde … Cu O CuO Cu + O

42 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 42 Cu + O Zeer complex HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 La 1.8 Sr 0.2 CuO 4 scheikunde … Cu O CuO Koperoxides

43 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 43 Cu + O zeer complex Cu + O zeer complex Cu + O zeer complex HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 La 1.8 Sr 0.2 CuO 4 scheikunde … Cu O CuO Supergeleidend Koperoxides

44 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 44 Supergeleidende CuO vlakken Koperoxides

45 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 45 Video Demonstratie Het Meissner effect: stabiliteit door flux pinning

46 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 46 Wat gebeurt er met een LED bij zeer lage temperaturen? Gebruik van de computertoepassing

47 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 47 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! Hands-on activiteiten

48 SUPERCOMET Project Gren Ireson, Loughborough University & Peter Uylings, UvA 48