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2017 | Buch

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Geschichte und Theorie der Supraleiter

Eine kompakte Einführung

verfasst von: Prof. Rudolf P Huebener

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Buchreihe : essentials

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Übersichtlich und kompakt stellt Rudolf P. Huebener das Forschungsgebiet der Supraleitung vor. Er schildert anschaulich, wie sich dieser Bereich seit Entdeckung der Supraleitung vor über 100 Jahren in viele Richtungen sehr lebendig entwickelt hat. Dies betrifft die Materialien, Experimente zu den physikalischen Grundlagen, das theoretische Verständnis sowie die technischen Anwendungen. Unter anderem geht das essential auf den Meissner-Ochsenfeld-Effekt, die magnetische Fluss-Quantisierung, den Josephson-Effekt, die BCS-Theorie sowie die Hochtemperatur-Supraleitung ein.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 1. Die Entdeckung: Kamerlingh Onnes in Leiden

Zusammenfassung

In den letzten Jahren des 19. Jahrhunderts baute Heike Kamerlingh Onnes in Leiden ein Labor für Tieftemperatur-Experimente auf, das schon bald zur weltweiten Spitze auf diesem Gebiet aufrückte. Kamerlingh Onnes interessierte sich für die thermodynamischen Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten bei tiefen Temperaturen. Hierbei war er durch die Forschungsarbeiten von Johannes Diderik van der Waals an der Universität von Amsterdam inspiriert.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 2. Walther Meissner und die Physikalisch-Technische Reichsanstalt in Berlin

Zusammenfassung

In der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin hatte man sich damals ebenfalls für die Materialeigenschaften bei tiefen Temperaturen interessiert. Im Jahr 1913 wurde Walther Meissner von Emil Warburg, dem Präsident der Reichsanstalt, beauftragt, eine Wasserstoffverflüssigungsanlage aufzubauen. Vor seinem Physikstudium hatte Meissner schon ein Studium als Maschinenbau-Ingenieur absolviert, sodass er für diese Aufgabe gut geeignet war.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 3. London Theorie, magnetische Eindringtiefe, Zwischenzustand

Zusammenfassung

Eine erste phänomenologische Theorie der Supraleitung und des Meissner-Ochsenfeld-Effekts stammt von den Brüdern Fritz und Heinz London aus dem Jahr 1935. Insbesondere liefert ihre Theorie einen Wert für die sog. magnetische Eindringtiefe, innerhalb der die elektrischen Abschirmströme entlang der Oberfläche des Supraleiters fließen und das Magnetfeld im Supraleiter noch besteht.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 4. Typ-II-Supraleiter, Abrikosov-Vortex-Gitter, Mischzustand

Zusammenfassung

Schon in den 1930er Jahren zeigten Experimente, besonders von Leo Vasilyevich Shubnikov in Charkow in der sowjetischen Ukraine, dass die damaligen Vorstellungen auf dem Gebiet der Supraleitung erweitert werden mussten. Shubnikov hatte dort schon früh ein Tieftemperatur-Laboratorium aufgebaut, in dem auch mit flüssigem Helium experimentiert werden konnte.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 5. Ginzburg-Landau-Theorie, Magnetische Fluss-Quantisierung, London-Modell

Zusammenfassung

Die von Abrikosov zugrunde gelegte phänomenologische Ginzburg-Landau-Theorie beschreibt die Elektronen im supraleitenden Zustand durch eine makroskopische Wellenfunktion.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 6. BCS-Theorie, Energielücke

Zusammenfassung

Eine theoretische Erklärung der Supraleitung ist schon früh gesucht worden. Albert Einstein hatte beispielsweise vorgeschlagen, dass die Supraleitung durch molekulare Leitungsketten (ähnlich den Ampère’schen Molekularströmen) verursacht wird.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 7. Josephson-Effekt

Zusammenfassung

Der Kontakt zwischen zwei Supraleitern, den wir am Anfang von Kap. 6 im Zusammenhang mit Kamerlingh Onnes und Walther Meissner erwähnt haben, sollte etwa drei Jahrzehnte später eine prominente Rolle erhalten. Nachdem Ivar Giaever das Ergebnis seines berühmten Tunnelexperiments zum Nachweis der Energielücke in Supraleitern veröffentlicht hatte, interessierte sich der Student Brian David Josephson im englischen Cambridge für den zugrunde liegenden Tunnelprozess. In Vorlesungen hatte er von der neuen BCS-Theorie gehört und war von dem Konzept der Supraleitung als makroskopischem Quantenphänomen besonders beeindruckt.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 8. Bewegung der Flussquanten, Flusswanderungswiderstand

Zusammenfassung

Die Frage, wie genau der elektrische Widerstand bei der Supraleitung auf null verschwindet, rückte Anfang der 1960er Jahre in den Fokus, als durch neu entdeckte Supraleiter-Materialien ihre technischen Anwendungen bei hohen elektrischen Strömen zum ersten Mal möglich erschienen. Besonders die neuen supraleitenden Niob-Legierungen Nb₃Sn und NbZr waren vielversprechend. Sorgfältige Messungen, besonders an den Bell-Laboratorien in den USA, ergaben Hinweise auf hohe Werte der kritischen elektrischen Stromdichte und des kritischen Magnetfelds. Auch wurde ein neuartiger „kritischer Zustand“ gefunden, oberhalb dessen ein endlicher, wenn auch relativ kleiner, elektrischer Widerstand auftritt.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 9. Kuprat-Supraleiter

Zusammenfassung

Die Entdeckung der sog. Hochtemperatur-Supraleiter durch Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller im Jahr 1986 lieferte den Startschuss für eine neue Epoche auf dem Gebiet der Supraleitung. Die beiden hatten in Verbindungen aus Barium (Ba), Lanthan (La), Kupfer (Cu) und Sauerstoff (O) mit fallender Temperatur eine plötzliche Abnahme des elektrischen Widerstands um mindestens drei Größenordnungen gefunden. Der Abfall hatte bei etwa 35 K eingesetzt, und es bestand die Vermutung, dass es sich um eine neue Art von Supraleitung handelte.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 10. MgB2, Eisen-Pniktide

Zusammenfassung

Die Suche nach neuen Supraleitern ging auch nach der Entdeckung der Kuprat-Supraleiter weiter. Wir wollen kurz die wichtigsten Entwicklungen schildern. 2001 berichteten Jun Akimitsu und Mitarbeiter aus Tokyo die Entdeckung von Supraleitung in der Verbindung Magnesiumdiborid (MgB₂) mit der kritischen Temperatur T_C = 39 K.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 11. Supraleitung in Grenzflächen und Monolagen

Zusammenfassung

Im Jahr 2015 machte eine Mitteilung Schlagzeilen, dass in FeSe-Monolagen Supraleitung mit einer kritischen Temperatur oberhalb 100 K beobachtet wurde. Die Entdeckung kam aus China (das nach dem Ende der Kulturrevolution 1971 einen gewaltigen Aufschwung erlebt, der sich auch auf die Naturwissenschaften erstreckt). Hinweise auf Supraleitung in FeSe-Monolagen hatte es schon 2012 von einer anderen chinesischen Gruppe gegeben.

Rudolf P. Huebener

Kapitel 12. Technische Anwendungen

Zusammenfassung

Die Anwendungen der Supraleitung in der Mikroelektronik beruhen im Wesentlichen auf zwei Tatsachen: der magnetischen Fluss Quantisierung und dem Josephson-Effekt. In beiden Fällen spielen ein makroskopischer Quanteneffekt und die Beschreibung des Zustands der Cooper Paare mit einer quantenmechanischen Wellenfunktion die zentrale Rolle. Ein charakteristisches Beispiel ist das SQUID (abgekürzt von der englischen Bezeichnung Superconducting Quantum Interference Device).

Rudolf P. Huebener

Backmatter

Titel: Geschichte und Theorie der Supraleiter
verfasst von: Prof. Rudolf P Huebener
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-19383-6
Print ISBN: 978-3-658-19382-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-19383-6

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