Supraledning idag och i framtiden Vladimir Krasnov Experimentell Kondenserade Materiens Fysik Fysikum, AlbaNova, SU Office: A2: Lärardagen 30 Oktober 2007, Stockholm

1. Supraledning: upptäcktens historia I metaller: Elektroner är fri från atomer och kan bära elektrisk ström De bästa metallerna: Au, Ag, Cu har svag växelverkan mellan fria elektroner och kristallgitter vibrationer (fononer) Elektrisk ledning i metaller Elektrisk motstånd: Elektroner sprids av kollisioner mellan kristallgittervibrationer och föroreningar Normalt tillstånd

Elektrisk ledning i metaller Vid låga temperaturer: gittervibrationer fryser ut och elektrisk motstånd minskar Debatt i början an 1900-talet: Vad ska hända vid T = 0 ? Nol resistans p.g.a. att atomer är infrusna Oändlig resistans p.g.a. att elektroner är infrusna Konstant resistans p.g.a. kvarstående kollisioner med föroreningarna

Skarp övergång vid T c i motsats till gradvis minskning av R(T) i normala metaller 2008: 100 år av He 4 förvätskning: 2008: 100 år av He 4 förvätskning: LT25 konferens, Leiden Resistans av kvicksilver försvinner under ~4.2 K

Supraledning är ett vanligt fenomen i Naturen! Förekommer i de flesta elementära metaller, samt massor av legeringar och föreningar Med undantaget att: de Bästa och Magnetiska metallerna aldrig blir Supraledare Kända supraledande elementer

Jakten efter hög-temperatur supraledning Är det möjligt att nå T c > 30K ???

Perovskites: Isolatorer i ”rent” form Metall tillstånd (och supraledning) uppnås genom dopning

Hög T c - “Revolution” Discovery: 1986: La 2-x Ba x CuO 4, 30 K (Bednorz and Müller) 1987: YBa 2 Cu 3 O 7-d, 93 K (Wu, et al.,) : BiSrCaCuO: 2201 (30K), 2212 (95K), 2223 (115K) 1988: TlBaCaCuO: 2201 (30K), 2212 (110K), 2223 (125K) : HgBaCaCuO, 12R2 (0K) (Putilin, et.al., Arrhenius lab SU) K, K, 1223 (135K / >150K under pressure) Gemensamt:Perovskites, Cuprates Desto mera CuO – plan desto högre T c : CuO 2 plan är vitala för HTSC BaPb 1-x Bi x O 3 13K; (1976) Ba x K 1-x BiO 3 22K; (1986) Perovskites, Non cuprates:Non - Perovskites, Non - cuprates MgB 2 39K (2001) (Akimitsu) Bi-83 Tl-81 Hg-80

HTSC revolution

Vilka elementer blir supraledande? (i)Only metals become superconductors. (ii)All the critical temperatures of elements are under 10 K; even though some high - Tc superconducting (HTSC) compounds have critical temperatures in excess of 100 K. (iii) Some metals which are good conductors at room temperature, (Au, Ag, Cu) not become superconductors at all (in many cases vise-versa). (iv) Magnetic metals do not become superconductors. (v)Lattice structure plays role in superconductivity (  -Hg (RHL) T c =4.47K,  -Hg (TET) Tc=3.95K) (vi)Isotope effect: T c  M -0.5 → kristall gitter vibrationer

2. Egenskaper: supraledare – inte bara perfekta metaller Meissner effekt: Walter Meissner och Robert Ochsenfeld (1933) Supraledare undantränger magnet fält Perfekt diamagnetism: B = 0 Det gör inte perfekta normala metaller

Difference between superconductors and perfect normal conductors

Magnetiseringskurvor av supraledare typ-I och typ-II supraledare Absolut diamagnetism, B=0 Partiell diamagnetism, B < H Kritiskt magnet fält

Type-II supraledare (1953 publiserat i 1957) Förklarning av “mixed state” i typ-II supraledare

Abrikosov vortex lattice

Electron holography: T.Matsuda, et al, Phys.Rev.Lett. 62 (1989) 2519 Abrikosovs virvel är Magnetiskt (Elektrisk ströms cirkulation) och Kvantiserat  0 = hc/2e Flux kvantum Fri virvel: r x v = const Rörelsemängds moment konservering Orkans “Bulls eye” Dubbel laddning! Virvlar i Naturen

3. Förklarning av supraledning

Hurdan är elektron? Elektrisk laddning: e = -1, · Coulomb Rörelsemängdsmoment: S Z =   s, Spinn: s =1/2 Magnetisk moment:   =(e/mc)  s Inte partikel utan ett vågpaket

Fermioner och Bosoner Fermi-Dirac-statistiken sannolikhet att hitta partikel i ett kvanttillstånd med energin E Bose-Einstein-statistiken f E 1 0 Pauli principen f E 1 0 Bose-kondensering

Fermioner och Bosoner Spinn = HalvtalSpinn = Heltal Elektron, s=1/2 Proton, s=1/2 Neutron, s=1/2 … Photon, s=1 W och Z boson Gluon He-3: 2 elektroner +2 protoner +1 neutron s = 5/2 He-4: 2 elektroner +2 protoner +2 neutroner s = 3 Bose-kondensering och Suprafluiditet vid T = 2.17 K He-4 atomer tillhör samma tillstånd = är faskoherenta. Spridning av en enstaka atom berör hela kondensat

elektron fonon Suprafluiditet Supraledning – Suprafluiditet av elektron kondensat MEN! ELEKTONER ÄR FERMIONER som inte bose-kondenserar

Sista steg till Supraledning: Parning av elektroner Cooper par s = ½ - ½ = 0 Parning omvandlar elektroner från Fermioner till Bosoner “singlet” par Bose kondenserade elektroner tillhör samma tillstånd och är fas koherenta

Makroskopiska kvantmekaniska fenomen i supraledare Fraunhofer diffraktion Supercond.QUant.Interf.Device SQUID

Supraledande sensorer och detektorer SQUID: Supraledande sensorer och detektorer Flux - Field - Current - Voltage ~10 -6  0 /√Hz =2x Wb/√Hz ~ G /√Hz ~ V /√Hz Tillämpningar:

SQUID sensorer för non-destructive testing

Supraledande kablar

ONE PROJECT IS BUILDING A PROTOTYPE 5-10 MVA SUPERCONDUCTING TRANSFORMER HTS transformers offer the possibility of 2x overload operation without shortening lives reduced need for back-up transformers no fire hazard lighter and smaller, more power thru existing facilities underground siting Waukesha Electric’s 5-10 MVA prototype ready for testing commercial-scale is MVA anticipated challenges: cost of HTS AC losses cost&reliability of cryo-coolers

HTSC filters for telecommunication

Factor 8

Slutsats: Unika egenskaper av supraledare används i olika tillämpningar från högkraftelanläggningar och extrem starka magneter till superkänsliga kvantsensorer och nya kvantelektronikkomponenter. Supraledning har stor betydelse för grundforskning: Supraledning var och är an ”lekplats” och ”krigsfält” för utveckling av nya teoretiska idéer och experimentella tekniker inom modern kondenserade materiens fysik.

Interlayer (intrinsic) tunneling in HTSC Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8+x : anisotropy  c /  ab ~10 6 c-axis High - T c superconductor -> Intrinsic Josephson effect at T<T c

1. Self-alignment Cross-bar Photolithography 2. Trimming by Focused Ion Beam writing CaF 2 Bi-2212Au Ph. Res. Sample fabrication: a) b) c) d) Au Bi-2212 CaF 2 Mesa FIB cut

Height of the mesa 4a 4b I+I+ I-I- V-V- V+V+ Mesas with common junctions for injection-detection experiments: Three and Four - probe measurements N=52 N=28 N=52 N=28

Dynamic conductance of a Bi2212 mesa at different T. Inset shows detailed curves for high T. Coexistence of the superconducting peak, V S, and the pseudo-gap hump, V PG, is clearly visible at T=77.7 K. From: V.M.Krasnov, et.al., Phys.Rev.Lett. 84 (2000) 5860 Evidence for co-existence of the Superconducting- and the Pseudo-gaps Optimally doped Bi-2212

V.M.Krasnov, et.al., Phys.Rev.Lett. 84 (2000) 5860 Temperature dependence

From: H.B.Wang et.al, Phys.Rev.Lett. 87 (2001) Prototype of the Josephson volt standard