Magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik

Magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik

Kriza György, MTA SZFKI kriza@szfki.hu

BME, 2010

, 1987. március 20., péntek:

"DISCOVERIES BRING A

'WOODSTOCK‘ FOR PHYSICS”

"...the most extraordinary scientific meeting in memory”

''It's a phenomenon - there's never been anything like it in the history of physics''

The Woodstock of Physics

1986: Alex Bednorz és Georg Müller felfedezi a Cu-O alapú „magashőmérsékletű” szupravezetőket 1987. március 19., New York:

Konferencia a magashőmérsékletű szupravezetőkről.

T

-történet

Az alkalmazások szempontjából legfontosabb „A15” szerkezetű

szupravezetők

Ge Nb

Magashőmérsékletű szupravezetők Az alkalmazások fontos korlátja az alacsony kritikus hőmérséklet

Mi az, amit tudunk a magashőmérsékletű szupravezetőkről?

Cu d_x2-y2

O p_x

CuO₂ síkokban történik a szupravezetés

 erősen anizotróp, réteges szerkezet

 2d fizika (pl. erős termikus fluktuációk)

Magashőmérsékleti szupravezetők univerzális fázisdiagramja

Lásd pl. a La_2-xSr_xCuO₄ sorozatot:

Kiinduló anyag: La₂CuO₄

La³⁺, O^{2- :} 2·3-4·2= –2  Cu²⁺ (3d⁹)

 félig betöltött 3d⁹ sáv

 antiferromágneses szigetelő A La³⁺, ionok egy részének Sr²⁺-ra cserélésével változtatható a sáv betöltése.

Mit tudunk még? – Szimmetriasértés

Fluxuskvantálás:

e h

n

;

 / 2

  



Következmények:

• makroszkopikus skálán fáziskoherencia van az elektronok között U(1) mértékinvariancia-sértés

•  Cooper-párok

„nemdiagonális hosszú távú rend a kételektron sűrűségmátrixban”

e h / 2

0







A rendparaméter szimmetriája térbeli forgatásokra

Spin-szinglett Cooper-párok l = 2 impulzusmomentummal

„d-hullám szimmetriájú rendparaméter”

Pontosabban: a rendparaméter a CuO₂ négyzetrács B_1g irrepjéhez tartozik, azaz 90°-os forgatásra előjelet vált.

k_x k_y

0 )

( )

(















k k

y x

y x

k k

k k

 tetszőlegesen kis energiával gerjeszthetők kvázirészecskék

Energia

Állapotsűrűség



A legfontosabb dolog, amit nem tudunk

A szupravezetés mikroszkopikus elmélete: milyen kölcsönhatás hozza létre a Cooper-párokat?

Létezik-e egyáltalán a konvencionális szupravezetőket sikeresen leíró Bardeen-Cooper-Schrieffer-elmélethez hasonló univerzális kulcs a MHSZ-k titkaihoz???

Nature Physics, 2006. március, MHSZ tematikus szám Vezetők kutatók a MHSZ-k mikroszkopikus elméletéről:

Anthony Leggett Jan Zaanen

Maurice Rice Sudip Chakravarty Senthil Todadri Philip Anderson Patrick Lee Jörg Schmalian Masatoshi Imada David Pines Mohit Randeria Chandra Varma Matthias Vojta

Szerves szupravezetők

Lapos szerves molekulák + töltésátadás Erősen anizotróp, tipikusan 1d szerkezet Kis elektronsűrűség

 erős elektronkorrelációk

Kémiai összetétel változtatásával és

hidrosztatikus nyomással jól hangolhatók a tulajdonságaik.

Az első szerves szupravezető: (TMTSF)₂PF₆ Klaus Bechgaard, Denis Jérome, 1980

T_c = 1,2 K (p = 6 kbar)

A szerves szupravezetők (TM)

X családjának fázisdiagramja

Alkáli-fullerid szupravezetők

A₃C₆₀ szerkezet A = K, Rb

Vaskorszak: pniktid szupravezetők

LaO_1-xF_xFeAs

F

La O

Fe As

Iron-Based Layered Superconductor

A CeFeAsO

F

pniktid szupravezető

fázisdiagramja

A szupravezetők műszaki alkalmazásai

Milyen tulajdonságát hasznosítjuk?

• Nulla elektromos ellenállás

• Kvantuminterferencia Legfontosabb jelenlegi alkalmazási területek:

• Orvosi diagnosztika

• Vegyipar/gyógyszeripar

• Elektronika

Projektált alkalmazások:

• Villamosenergia-ipar

• Közlekedés

Elsősorban a fejlesztés alatt álló

magashőmérsékletű Forrás: BCC Research

http://www.bccresearch.com/report/AVM066A.html

Mágnes Elektromos

berendezés Elektronika

Orvosi diagnosztika

Alapelve: mágneses magrezonancia képalkotás, MRI (magnetic resonance imaging) Protonspin rezonancia nagy mágneses térben, háromdimenziós térbeli felbontással Nagy mágneses tér + nagy átmérő → rezisztív mágnes nem praktikus

Előnyei:

• Kiváló kontraszt lágy szövetekben

• Csontok árnyékoló hatása nem zavaró

•Tipikusan 50 MHz, egészségká- rosító hatása minimális

Hátránya:

• Hosszú ideig tart egy felvétel, drága

fMRI

Vegyipar, gyógyszeripar: NMR

(mágneses magrezonancia)

Az Oxford Instruments (Oxford, UK) Szerves molekulák szerkezetének

meghatározása.

A mágneses térrel nő az érzékeny- ség és a felbontás.

Előnyei:

• Szerkezetmeghatározás oldatban (nem kell kristályosítani)

• Gyors, automatizálható

(jól megfelel a kombinatorikus kémia igényeinek)

Alapkutatási alkalmazások széles köre.

A kereskedelmi forgalomban kapható technika

Jelenlegi legmagasabb tér:

23,6 T, ¹f0 = 1000 MHz

Nb3Ge „A15” szupravezető (felfedezés éve: 1973)

T_c (K) B_c2(0) (T)

Nb₃Sn 18,0 28

Nb₃Ga 20,2 34

Nb₃(Ge_0,3Al_0,7) 20,7 43,5

Nb₃Ge 23,0 38

Nb₃Al 18,7 33

V₃Ga 14,8 35

V₃Si 17,1 24

Ge Nb

Versenytárs: rezisztív technikák

Rekord: 25 T (1066 MHz), National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL), Tallahassee, Florida, USA

• igen költséges üzemeltetés (35 MW

fogyasztás + vízhűtés), ezért gyakorlatilag csak kutatásra használják

• az áram és a vízhűtés ingadozása miatt viszonylag rossz a térstabilitás (kb. 3 ppm fluxus stabilizátor betéttel), ezért

nagyfelbontású NMR-re nem előnyös Hibrid technika: szupravezető szolenoid

belsejében rezisztív betét NHMFL 45 T hibrid mágnes:

11 T szupravezető szolenoidban 34 T rezisztív mágnes (nem kimondottan NMR céljaira)

Villamosenergiaipar

Kis veszteség: távvezetékek, transzformátorok, generátorok.

A fejlesztés stádiumában, prototípusok.

600 kVA-es magashőmérsékletű szupravezető transzformátor prototípusa.

China Institute for Electical Engineering, 2005

Fő nehézség: hajlékony kábel

Készítése a törékeny magashőmér- sékletű szupravezető anyagokból.

Létező alkalmazás: túláramvédelem (nagyáramú biztosíték). A kritikus áram alatt szupravezető felette normális fém.

MHSZ szupravezető erősáramú távvezeték

138 kV, 574 MW 2008. április 30., Long Island, USA

MHSZ szupravezető erősáramú távvezeték kábel prototípusa

vörösréz mag

szupravezető szalag BSCCO kerámia ezüst mátrixban

elektromos szigetelés

szupravezető árnyékolás

hőszigetelés:

vákuum +

„űrhajós ruha”

folyékony nitrogén hűtés

(hűtőállomás néhány kilométerenként) Ø 133 mm

Becslés: I = 5 kA, V = 50 kVrms  P = 250 MW (felső becslés)

Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ kerámia szupra- vezető

I_c = 200 A

J_c = 50 kA/cm² ezüstözött réz

mátrix

Japán Gazdasági és Ipari Minisztérium, 2004.

Mikrohullámú elektronika

Kis felületi ellenállás → jó minőségű mikrohullámú szűrők Előnyei:

• A telekommunikációs frekvenciasávban Q > 100 000 könnyen elérhető

• kis veszteség

• kis méret Hátrány:

• Hűtést igényel, ezért mobil eszközökben

egyelőre nem használják.

Megoldás: Peltier-hűtés.

Mikrohullámú elektronika

Előnyei:

• A telekommunikációs frekvenciasávban Q > 100 000 könnyen elérhető

• kis veszteség

• kis méret Hátrány:

• Hűtést igényel, ezért mobil eszközökben

egyelőre nem használják.

Megoldás: Peltier-hűtés?

Az orvosi diagnosztika után jelenleg a második legnagyobb alkalmazás.

A magashőmérsékletű szupravezetők legfontosabb alkalmazása.

Kvantuminterferencia: SQUID

( Superconducting Quantum Interference Device)

Brian D. Josephson, 1962



I

I

Legyengített szupravezető:

Josephson-átmenet

I

Az eszköz két karjában folyó szupravezető áram interferál. Az interferenciakép függ a lyukon átmenő mágneses fluxustól. → A fluxuskvantum törtérsze is mérhető.

Alkalmazás: magnetoenkefalográfia, magnetokardiográfia, geológia, alapkutatás.

6000 Josephson- átmenetet tartalmazó

Mágneses levitáció (maglev)

Jó utazást kívánok!

THE END

Shanghai, 2003 30 km, 430 km/h (8 perc)

Gyártó:

ThyssenKrupp