Supraleitung (eBook)

Grundlagen und Anwendungen

Reinhold Kleiner, Werner Buckel (Autoren)

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2024 | 8. Auflage
492 Seiten
Wiley-VCH (Verlag)
978-3-527-84066-3 (ISBN)

Infos

Supraleitung

Seit mehr als 50 Jahren das maßgebliche deutschsprachige Lehrbuch zur Supraleitung

Supraleitung, also das Verschwinden des elektrischen Widerstands in Materialien unterhalb einer kritischen Temperatur, ist längst kein Kuriosum mehr, sondern ein Phänomen, das zahlreiche Anwendungen gefunden hat, etwa zur Erzeugung und Detektion von Magnetfeldern, in der Sensorik (SQUIDs), zur zerstörungsfreien Materialprüfung, in Energietransport und -umwandlung und in der magnetischen Energiespeicherung.

Die achte Auflage des Standard-Lehrbuchs zur Supraleitung folgt dem bewährten Ansatz, das physikalische Phänomen der Supraleitung in seinen zahlreichen Facetten möglichst anschaulich und ohne allzu viel mathematischen Ballast zu erklären. Ausgehend von einem Überblick über die wichtigsten, zum Verständnis benötigen quantenmechanischen Grundlagen behandelt das Buch die unterschiedlichen Supraleiter-Materialklassen, etwa die metallischen Supraleiter, Kuprate und Eisenpniktide. Die Schwerpunkte liegen dabei auf den Eigenschaften, der Herstellung und der Stabilität dieser Materialien. Die folgenden Kapitel beleuchten die Erklärungsmodelle der Supraleitung, die Thermodynamik des supraleitenden Zustands sowie dessen Zusammenbrechen. Ausführlich geht das Buch auf die für den praktischen Nutzen so wichtigen Josephson-Kontakte ein. Das letzte Kapitel widmet sich den zahlreichen Anwendungen der Supraleitung, zum Beispiel supraleitende Kabel, in der Kernspintomographie, der Kernfusion, der SQUID-Sensorik sowie der Mikroelektronik.

Für die Neuauflage wurde das Buch vollständig überarbeitet und mit Elementen angereichert, die das Verständnis fördern und das Lernen erleichtern wie etwa Kapiteleinführungen, Exkurse zur Messmethodik, mehr durchgerechnete Beispiele, Boxen zur Vertiefung weiterführender Aspekte und Kapitelzusammenfassungen.

Reinhold Kleiner ist Professor für experimentelle Festkörperphysik an der Universität Tübingen. Er studierte Physik an der Technischen Universität München und beschäftigte sich in seiner Doktorarbeit mit Hochtemperatursupraleitern. Nach einem zweijährigen Aufenthalt an der University of California in Berkeley kehrte er nach Deutschland zurück. Seine Arbeitsgebiete umfassen Supraleitung und Magnetismus.

Professor Werner Buckel (1920-2003) hat in Erlangen und Göttingen studiert und folgte 1960 einem Ruf an die Technische Hochschule Karlsruhe. Dort verblieb er bis zu seiner Emeritierung 1985 mit einer Unterbrechung von drei Jahren, in denen er im Kernforschungszentrum Jülich das Institut für Supraleitung aufbaute. Neben vielen anderen verdienstvollen Tätigkeiten war er Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der European Physical Society sowie Mitglied der Heidelberger Akademie der Wissenschaften und der Leibniz-Sozietät Berlin.

Inhalt

Front Cover 1
Half Title 3
Title Page 5
Copyright Page 6
Vorwort zur 1. Auflage 9
Vorwort zur 8. Auflage 11
Inhaltsverzeichnis 13
Einleitung 19
1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern 29
1.1 Das Verschwinden des elektrischen Widerstands 29
1.1.1 Grundlegendes zum Widerstand von Metallen 29
1.1.2 Dauerströme im Supraleiter 34
1.2 Idealer Diamagnetismus, Flussschläuche und Flussquantisierung 34
1.2.1 Der ideale Leiter 39
1.2.2 Der ideale Diamagnetismus 39
1.2.3 Typ-I- und Typ-II-Supraleiter Flussschläuche
1.2.4 Levitation in der Shubnikov-Phase 46
1.3 Die Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und Hohlzylindern 47
1.4 Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphänomen 50
1.4.1 Fluxoid- und Flussquantisierung 51
1.4.2 Der ideale Diamagnetismus 53
1.4.3 Warum gibt es Typ-I- und Typ-II-Supraleiter? 58
1.4.4 Widerstand null 59
1.5 Quanteninterferenzen 63
1.5.1 Allgemeines zu Interferenzen 64
1.5.2 Josephson-Ströme und die Josephson-Gleichungen 65
1.5.3 Zeitliche Quanteninterferenz: Beobachtung des Josephson-Wechselstroms 73
1.5.4 Räumliche Quanteninterferenzen im Magnetfeld 76
1.5.4.1 Der supraleitende Quanteninterferenzdetektor 76
1.5.4.2 Quanteninterferenz im Josephson-Kontakt 81
Zusammenfassung 88
2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen 91
2.1 Vorbemerkungen 91
2.1.1 Entdeckung, Herstellung und Charakterisierung von neuen Supraleitern 91
2.1.2 Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter 92
2.2 Supraleitende Elemente 95
2.3 Die supraleitenden Hydride 99
2.4 Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen 102
2.4.1 Die ?-Wolframstruktur 102
2.4.2 Magnesiumdiborid 104
2.5 Fulleride 105
2.6 Chevrel-Phasen und Borkarbide 106
2.7 Schwere-Fermionen-Supraleiter 108
2.8 Natürliche und künstliche Schichtsupraleiter 111
2.9 Die supraleitenden Oxide 113
2.9.1 Kuprate 113
2.9.2 Wismutate, Ruthenate, Nickelate und andere oxidische Supraleiter 118
2.10 Eisenpniktide und verwandte Verbindungen 120
2.11 Organische Supraleiter 123
2.12 Supraleitung an Grenzflächen 125
2.13 Graphenbasierte Supraleitung 127
Zusammenfassung 130
3 Die Cooper-Paarung 133
3.1 Konventionelle Supraleitung 133
3.1.1 Cooper-Paarung durch die Elektron-Phonon Wechselwirkung 133
3.1.2 Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie 138
3.1.3 Experimente zur unmittelbaren Bestätigung der Grundvorstellungen über den supraleitenden Zustand 143
3.1.3.1 Der Isotopeneffekt 143
3.1.3.2 Die Energielücke 146
3.1.3.3 Tunnelspektroskopie 158
3.1.4 Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter 161
3.2 Unkonventionelle Supraleitung 170
3.2.1 Allgemeine Gesichtspunkte: Wie erkennt man (un)konventionelle Supraleiter? 171
3.2.2 Kupratsupraleiter 177
3.2.2.1 Einleitende Betrachtungen 177
3.2.2.2 Amplitudensensitive Experimente zur Symmetrie des Ordnungsparameters 180
3.2.2.3 Phasensensitive Experimente zur Symmetrie des Ordnungsparameters 184
3.2.3 Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle Supraleiter 193
3.2.4 FFLO-Zustand und Mehrbandsupraleitung 197
Zusammenfassung 130
4 Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden Zustands 205
4.1 Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik 205
4.2 Die spezifische Wärme 209
4.3 Die Wärmeleitfähigkeit 213
4.4 Grundzüge der Ginzburg-Landau-Theorie 216
4.5 Die charakteristischen Längen der Ginzburg-Landau-Theorie 220
4.6 Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld 226
4.6.1 Das kritische Feld und die Magnetisierung stabförmiger Proben 226
4.6.1.1 Magnetisierungskurven 226
4.6.1.2 Gibbs-Funktion und kritisches Magnetfeld 228
4.6.2 Die Thermodynamik des Meißner-Zustands 230
4.6.2.1 Differenz der Entropien im Normal- und Suprazustand 230
4.6.2.2 Differenz der spezifischen Wärmen im Normal- und Suprazustand 232
4.6.3 Kritisches Magnetfeld dünner Schichten in einem Feld parallel zur Oberfläche 234
4.6.4 Der Zwischenzustand 235
4.6.5 Die Phasengrenzenergie 240
4.6.6 Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand 243
4.7 Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld 247
4.7.1 Vorbemerkungen 248
4.7.2 Magnetisierungskurven und kritische Felder 249
4.7.3 Die Shubnikov-Phase 260
4.8 Fluktuationen und Zustände außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 271
Zusammenfassung 281
5 Kritische Ströme in Supraleitern erster und zweiter Art 285
5.1 Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung 286
5.2 Typ-I-Supraleiter 288
5.3 Typ-II-Supraleiter 293
5.3.1 Ideale Typ-II-Supraleiter 294
5.3.2 Harte Supraleiter 298
5.3.2.1 Die Verankerung von Flussschläuchen 298
5.3.2.2 Die Magnetisierungskurven von harten Supraleitern 304
Zustandekommen der Hysterese: Bean-Modell 309
Flusskriechen 312
5.3.2.3 Kritische Ströme und Strom-Spannungs-Kennlinien 313
Zusammenfassung 320
6 Josephson-Kontakte und ihre Eigenschaften 323
6.1 Stromtransport über Grenzflächen im Supraleiter 323
6.1.1 Supraleiter-Isolator-Grenzflächen 323
6.1.2 Supraleiter-Normalleiter-Grenzflächen 330
6.1.3 Supraleiter-Ferromagnet-Grenzflächen 337
6.2 Das RCSJ-Modell 338
6.3 Josephson-Kontakte unter Mikrowelleneinstrahlung 345
6.4 Flusswirbel in ausgedehnten Josephson-Kontakten 348
6.4.1 Sinus-Gordon-Gleichung 348
6.4.2 Plasmawellen und Fluxonen 350
6.4.3 Fiske-Stufen 352
6.4.4 Nullfeldstufen 354
6.4.5 Flux-Flow-Stufen 358
6.5 Makroskopische Quanteneffekte in Josephson-Kontakten und verwandten Systemen 360
6.5.1 Coulomb-Blockade und Tunneln einzelner Ladungen 360
6.5.2 Makroskopische Quantenkohärenz mit Josephson-Kontakten 366
6.5.3 Schaltkreis-Quantenelektrodynamik 370
Zusammenfassung 373
7 Anwendungen der Supraleitung 377
7.1 Supraleitende Magnetspulen 379
7.1.1 Allgemeine Aspekte 379
7.1.2 Supraleitende Drähte, Bänder und Kabel 380
7.1.3 Spulenschutz 391
7.2 Supraleitende Permanentmagnete 393
7.3 Anwendungen für supraleitende Magnetspulen 395
7.3.1 Kernspinresonanz 395
7.3.2 Kernspintomographie 398
7.3.3 Teilchenbeschleuniger 399
7.3.4 Kernfusion 402
7.3.5 Energiespeicher 403
7.3.6 Motoren und Generatoren 406
7.3.7 Magnetische Separatoren und Induktionsheizer 409
7.3.8 Schwebezüge 411
7.4 Supraleiter für die Leistungsübertragung: Kabel, Transformatoren und Strombegrenzer 412
7.4.1 Supraleitende Kabel 412
7.4.2 Transformatoren 415
7.4.3 Strombegrenzer 416
7.5 Supraleitende Resonatoren und Filter 417
7.5.1 Das Hochfrequenzverhalten von Supraleitern 417
7.5.2 Resonatoren für Teilchenbeschleuniger 422
7.5.3 Resonatoren und Filter für die Kommunikationstechnik 423
7.6 Supraleiter als Detektoren 428
7.6.1 Empfindlichkeit, thermisches Rauschen und Störeinflüsse 429
7.6.2 Inkohärente Strahlungs- und Teilchendetektion: Bolometer und Kalorimeter 430
7.6.3 Kohärente Strahlungsdetektion und -erzeugung: Mischer, Lokaloszillatoren und integrierte Empfänger 436
7.6.4 Quanteninterferometer als Magnetfeldsensoren 444
7.6.4.1 SQUID-Magnetometer: grundlegende Konzepte 444
7.6.4.2 Störsignale, Gradiometer und Abschirmungen 454
7.6.4.3 Anwendungen von SQUIDs 456
7.7 Supraleiter in der Mikroelektronik 462
7.7.1 Spannungsstandards 462
7.7.2 Digitalelektronik mit Josephson-Kontakten 465
7.7.3 Auf dem Weg zum Quantencomputer 470
Zusammenfassung 477
Stichwortverzeichnis 483
EULA 492

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 6.6.2024
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Atom- / Kern- / Molekularphysik
• Schlagworte: Elektronische Materialien • Elektrotechnik u. Elektronik • Festkörperphysik • Materialwissenschaften • Physik • Supraleiter • Supraleitung
• ISBN-10: 3-527-84066-4 / 3527840664
• ISBN-13: 978-3-527-84066-3 / 9783527840663