magashőmésékleti szupravezetők és alkalmazásaik
Post on 31-Jan-2016
31 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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
top related