Supravodiče © doc. Ing. Jiří Vondrák, DrSc.
Získání nejnižších teplot - Kamerlingh-Onnes, kapalné hélium 1911 : studium závislosti odporu kovů na teplotě Rtuť : původní publikace : ρ < 10
měrný odpor
-8
Ω cm
teplota ( K ) Dělení supravodičů dle chování v magnetickém poli:
vnitřní
1. Třída
2. třída
pole Bi
vnější pole Be
U supravodičů 2. třídy postupně působením magnetického pole vznikají oblasti, označované jako víry ( vortices ), v nivhž je supravodič ve stavu normální vodivosti, a na venek se jeví jako supravodič s úměrně tomu sníženým kritickým proudem.
1. třída
2. třída
HTSC
materiál
krit. teplota Tv
( K )krit. pole Bc ( T )
Al
1,175
0,01
Hg
4,15
0,04
Pb
7,19
0,08
NbTi
10,6
12
Nb3Sn
18
22
Y Ba2Cu3O7
≈ 92
???
Supravodivý elektromagnet: S1 Supravodivý S2
spinačem S1 vytvoříme proud, pak
sepneme S2,
tím vytvoříme permanentní proud a S1 lze odpojit S2 je supravodivý spinač ( ohřívaný vodič s nízkou Tc - ohřátím se „rozpojí“ přechodem do normální vodivosti) Permanentní - persistentní - proud ..... pokles na nulu za 1090 le
Meissnerův jev : vypuzení magnetického pole ze supravodiče magnetický tok otvorem v supravodiči konstantní může se měnit jen po kvantech - fluxon Φ = h / ( 2 e0 ) Změna vnějšího magnetického pole vyvolá průtok proudu podél obvodu otvoru, jímž se uvnitř otvoru magnetické pole přesně udrží na původní hodnotě i po zániku vnějšího pole Bext. Permanentní ( persistentní ) proud v supravodivém toroidu udržuje toto permanentní ( persistentní ) pole a naopak.
B perm
B ext
BCS teorie supravodiče ( Bardeen - Cooper - Schreifer ): obyčejné kovy - Sommerfeldův model - samotné elektrody, paramagnetické ( Pauliho teplotně nezávislý paramagnetismus ) supravodiče : elektrony spřažené do dvojic s opačným, na venek se rušícím spinem ( Cooperovy páry ) - proto hluboký diamagnetismus Meissnerova jevu pásový model: obyčejný kov
supravodič
Fermiho hladina
Obyčejný kov : parabolický, po Fermiho hladinu naplněný pás Supravodič: dva úzké pásy na obě strany od Fermiho meze, dolní zaplněn, mezi nimi zakázané pásmo šířky ∆ ( řádově 10-3 eV ). Obě struktury se překrývají. Čím nižší teplota pod Tc, tím výraznější jsou supravodivé pásy.
Dvojice elektronů jsou poměrně „velké“ - řádově 1 µm a zhruba do této vzdálenosti mohou zasahovat i mimo supravodič
Josephsonův přechod S - I - S ( supravodič - isolant - supravodič ) pracuje na principu pronikání supravodivých Cooperových párů mimo vlastní supravodič. Isolant - vzhledem k nulovému odporu supravodiče jako izolant může sloužit i tenka vrstva kovu !!! tečkované - supravodiče, prázdné – izolant
Při nulovém napětí : Cooperovy páry z obou supravodičů se přes mezeru prolínají ( pokud je mezera tenčí než „ koherentní délka na kterou Cooperovy páry působí navenek ). Mezera ( bez ohledu na druh výplně ) se stává supravodivou, pokud proud nepřekročí jistou mez ( stav 1 ). Pka skokem supravodivost zaniká. Potom, až do rozdílu napětí velikosti ∆ je přechod zcela nevodivý ( stav 2 ) a po překročení tohoto napětí se skokem obnoví vodivost mezery, avšak ta je potom dána ohmickým / obyčejným ) odporem systému, především mezery ( stav 3 ). Voltampérová charakteristika je ve schematu ( je souměrná podle středu; shodný je průběh ve třetím kvadrantu pro proud i napětí opačného znaménka ):
IJ
E
∆
Tento jev je způsoben vzájemným posunem Cooperových pásu na obou stranách mezery.
Stav 1 - pásy leží přesně proti sobě a mohou komunikovat, supravodivý proud teče a napětí zůstává nulové až do překročení jisté kritické hodnoty
Ikrit
( označeno
kroužkem ) stav 2 - pás levý leží proti zakázanému pásu napravo a naopak – nevodivé, pásy na sebe „nevidí“ a proto nemůže proud procházet stav 3 - pásy leží zcela mimo, komunikují jen s obyčejnými elektrony opačné strany – ohmická závislost U - I
stav 1
stav 2
stav 3
využití v elektronice : Josephsonův přechod - „weak link“ indukovanou supravodivost lze snadno zrušit vnějším magnetickým polem přechod mezi stavy obyč. A supra velmi rychlý -řádově 10
-12
s ( pikosekundy )
schematická značka :
kombinací zákona o stálém magnetickém toku v otvoru v supravodiči a přerušováním supravodivého spoje magnetickým polem vyvolaným jiným supravodičem lze konstruovat kombinační logické prvky, klopné obvody i paměti Příklad : OR - INVERT obvod :
napájecí proud
výstupní magnetická smyčka
vstupní smyčka „OR“
výstupní smyčka se naváže magneticky s následujícím obvodem vstupy NEBO *****************
magnetická
Princip : Konstantní napájecí proud se rozděluje mezi oba Joosephsonovy přechody. Zanikne - li v pravém přechodu supravodivost, ( buď jednou nebo druhou vstupní cívkou ), celý napájecí proud protéká levým přechodem a způsobí zánik proudu a magnetického pole ve výstupní cívce ( funkce INVERT ). Rychlost . dána samoindukčností výstupního magnetického obvodu. Jiný způsob čtení : založen na změně indukčnosti smyčky při přechodu do supravodivého stavu
Obvod se 3 Josephsonovými přechody :
Příklad použití : Vytvoření vnějšího mag. pole nad pravou sekcí a krátkodobé přerušení supravodivosti středního přechodu umožní zakotvit nesymetrii pole - lze využít jako paměťový prvek
Na tomto principu sestrojen procesor : 10 psec hodinový kmitočet ( 100 Ghz ) Již sestrojen počítač s pamětí řádu 10 kByte a dobami řádu pikosekund. Objem má cca 2 litry a spotřebu 1 W. Není perspektivní.
Příkon 1 W znamená teoreticky 100 W a prakticky 300 - 400 W na chlazení ( viz 2. věta termodynamická ). Obtížné interface s okolím. Střídavý Josephsonův jev : V místě kde na U - I charakteristice začíná skok směrem k „ohmickému“ proudu, pozorujeme
střída0vý
J.jev.
Buď
při
stejnosměrném
napájení
vzniká
vysokofrekvenční napětí o kmitočtu f nebo při půsov¨bení vysokofrekvenčního napětí vzniká napětí stejnosměrné o velikosti ∆U. Jejich velikost je svázána vztahem ∆U = h.f / 2 e0 ( h je Planckova konstanta, e0 náboj elektronu ). Tato rovnice vůbec neobsahuje materiálové konstanty. Napětí 1 µV odpovídá asi 483,5 Mhz. Na tomto principu je dnes definován 1 volt; Josephsonův kmitočet je dle NBS roven 483593,42 Ghz / volt. Kmitočet dnes měříme velmi přesně. Josephsonových standardů je na světě několik desítek.
30 KVA transformátor
(podle: Yoneda E.S. et al, Cryogenics 31 (1991), 65)
Pro demonstrační účely:: Trafo 1:1, napětí 120 V Jádro tvaru „C“, jedna cívka obsahující obě vinutí. Jádro i cívka umístěny v kapalném héliu. Ztráty v železe ( 13 W ) proto citelně zhoršují vlastnosti ( 13 W vyžaduje odhadem 650 W na chlazení ).
Vysokoteplotní supravodivost 1986 K.A. Müller, J. G. Bednorz - IBM, Švýcarsko Oxidické sloučeniny mědi, například YBa2Cu3O7, kritická teplota 90 K i více. Výroba : keramická technologie - směs prášků, vyžíháním tvořících oxidy - slinování, žíhání v kyslíku. Napařování a radiofrekvenční naprašování - tenké vrstvy. Nevýhody : nízké kritické proudové hustoty a magnetická pole. Výsledky zatím nejisté.
