Magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik

Magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik

Kriza György, MTA SZFKIkriza@szfki.huBME, 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.

Tc-történet

Az alkalmazások szempontjából legfontosabb „A15” szerkezetű

szupravezetők

Ge

Nb

Magashőmérsékletűszupravezetők

Az alkalmazások fontos korlátja az alacsony kritikus hőmérséklet

Mi az, amit tudunk a magashőmérsékletűszupravezetőkről?

Cu dx2-y2

O px

                YBa2Cu3O7-

CuO2 síkokban történik a szupravezetés erősen anizotróp, réteges szerkezet 2d fizika (pl. erős termikus fluktuációk)

Magashőmérsékleti szupravezetők univerzális fázisdiagramja

Lásd pl. a La2-xSrxCuO4 sorozatot:

Kiinduló anyag: La2CuO4

La3+, O2- : 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:

ehn 2/ ; 00

Következmények:

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

• Cooper-párok

„nemdiagonális hosszú távú rend a kételektron sűrűségmátrixban”

eh 2/0

A rendparaméter szimmetriája térbeli forgatásokra

Spin-szinglett Cooper-párok l = 2 impulzusmomentummal„d-hullám szimmetriájú rendparaméter”Pontosabban: a rendparaméter a CuO2 négyzetrács B1g irrepjéhez tartozik,azaz 90°-os forgatásra előjelet vált.

kx

ky

0)(

)( 22

k

k

yx

yx

kk

kk

tetszőlegesen kis energiával gerjeszthetők kvázirészecskék

Energia

Álla

pots

űrűs

ég

max

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 számVezetők kutatók a MHSZ-k mikroszkopikus elméletéről:Anthony Leggett Jan ZaanenMaurice Rice Sudip ChakravartySenthil Todadri Philip AndersonPatrick Lee Jörg SchmalianMasatoshi Imada David PinesMohit Randeria Chandra VarmaMatthias 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

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

A szerves szupravezetők (TM)2Xcsaládjának fázisdiagramja

Alkáli-fullerid szupravezetők

                                 A3C60 szerkezet

A = K, Rb

Vaskorszak: pniktid szupravezetők

LaO1-xFxFeAs

F

LaO

Fe

As

Iron-Based Layered Superconductor La[O1-xFx]FeAs (x = 0.05−0.12) with Tc = 26 KY. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).

A CeFeAsO1-xFx pniktid szupravezetőfázisdiagramja

A szupravezetők műszaki alkalmazásai

Milyen tulajdonságát hasznosítjuk?• Nulla elektromos ellenállás• Kvantuminterferencia

Legfontosabb jelenlegialkalmazási területek:• Orvosi diagnosztika• Vegyipar/gyógyszeripar• Elektronika

Projektált alkalmazások:• Villamosenergia-ipar• KözlekedésElsősorban a fejlesztés alatt álló magashőmérsékletű szupravezető technológián alapul.

Forrás: BCC Researchhttp://www.bccresearch.com/report/AVM066A.html

MágnesElektromos berendezés

Elektronika

Orvosi diagnosztika

Alapelve: mágneses magrezonancia képalkotás, MRI (magnetic resonance imaging)Protonspin rezonancia nagy mágneses térben, háromdimenziós térbeli felbontássalNagy 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) 21,2 teslás NMR mágnese (Yokohama City University)

Szerves molekulák szerkezeténekmeghatározása.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 szélesköre.

A kereskedelmi forgalomban kapható technika

Jelenlegi legmagasabb tér:

23,6 T, 1f0 = 1000 MHz

Nb3Ge „A15” szupravezető (felfedezés éve: 1973)

Tc (K) Bc2(0) (T)

Nb3Sn 18,0 28

Nb3Ga 20,2 34

Nb3(Ge0,3Al0,7) 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 gyakorlatilagcsak 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)

VillamosenergiaiparKis veszteség: távvezetékek, transzformátorok, generátorok.A fejlesztés stádiumában, prototípusok.

600 kVA-es magashőmérsékletűszupravezető transzformátor prototípusa.China Institute for Electical Engineering, 2005

Fő nehézség: hajlékony kábelKészítése 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 szalagBSCCO 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 Ic = 200 AJc = 50 kA/cm2

ezüstözött rézmátrix

Japán Gazdasági és Ipari Minisztérium, 2004.

Mikrohullámú elektronikaKis 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.

Az orvosi diagnosztika után jelenleg a második legnagyobb alkalmazás.A magashőmérsékletű szupravezetők legfontosabb alkalmazása.

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

1I

2I

Legyengített szupravezető:Josephson-átmenet

I

Az eszköz két karjában folyó szupravezető áraminterferál. Az interferenciakép függ a lyukon átmenőmágneses fluxustól. → A fluxuskvantum törtérszeis mérhető.

Alkalmazás: magnetoenkefalográfia, magnetokardiográfia, geológia, alapkutatás.Potenciális alkalmazása: kis fogyasztású gyors digitális elektronika.

6000 Josephson-átmenetet tartalmazóchip.Hypres Co., USA

Mágneses levitáció (maglev)

Jó utazást kívánok!

THE END

Shanghai, 200330 km, 430 km/h(8 perc)Gyártó:ThyssenKrupp