Supravodiče doc. Ing. Jiří Vondrák, DrSc. Získání nejnižších teplot - Kamerlingh-Onnes, kapalné hélium 1911 : studium závislosti odporu kovů na teplotě Rtuť : měrný odpor původní publikace : ρ < 10-8 Ω cm teplota ( K ) Dělení supravodičů dle chování v magnetickém poli: vnitřní 1. Třída 2. třída pole B i vnější pole B e 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.
materiál krit. teplota T v ( K )krit. pole B c ( T ) Al 1,175 0,01 1. třída Hg 4,15 0,04 Pb 7,19 0,08 2. třída NbTi 10,6 12 Nb 3 Sn 18 22 HTSC Y Ba 2 Cu 3 O 7 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 T c - ohřátím se rozpojí přechodem do normální vodivosti) Permanentní - persistentní - proud... pokles na nulu za 10 90 le Meissnerův jev : vypuzení magnetického pole ze supravodiče magnetický tok otvorem v supravodiči konstantní může se měnit jen po kvantech - fluxon Φ = h / ( 2 e 0 ) 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 B ext. Permanentní ( persistentní ) proud v supravodivém toroidu udržuje toto permanentní ( persistentní ) pole a naopak.
B ext B perm 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 T c, 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 ):
I J 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 I krit ( 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 magnetická smyčka OR výstupní smyčka se naváže magneticky s následujícím obvodem vstupy NEBO *****************
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 e 0 ( h je Planckova konstanta, e 0 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 YBa 2 Cu 3 O 7, 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.