Supraleitung: Grundlagen und Anwendungen
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| Published: |
Weinheim
Wiley-VCH
2007
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| Edition: | 6., vollst. überarb. und erw. Aufl., 1. Nachdr. |
| Series: | Lehrbuch Physik
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Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern 11
1.1 Das Verschwinden des elektrischen Widerstandes 11
1.2 Idealer Diamagnetismus, Flussschläuche und Flussquantisierung 22
1.3 Die Flussquantisierung im supraleitenden Ring 29
1.4 Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphänomen 32
1.5 Quantenin terferenzen 46
1.5.1 Josephsonströme 47
1.5.2 Quanteninterferenzen im Magnetfeld 60
Literatur 73
2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen 75
2.1 Vorbemerkung: Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter 75
2.2 Supraleitende Elemente 78
2.3 Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen S3
2.3.1 Die ß-Wolfram-Struktur 83
2.3.2 Magnesium-Diborid 86
2.3.3 Metall-Wasserstoff-Systeme 87
2.4 Füllende 88
2.5 Chevrel-Phasen und Borkarbide 89
2.6 Schwere-Fermionen-Supraleiter 92
2.7 Natürliche und künstliche Schichtsupraleiter 94
2.8 Die supraleitenden Oxide 97
2.8.1 Kuprate 97
2.8.2 Wismutate, Ruthenate und andere oxidische Supraleiter 103
2.9 Organische Supraleiter 104
2.10 Supraleiter durch Feldeffekt? 107
Literatur 109
3 Die Cooper-Paarung 125
3.1 Konventionelle Supraleitung 115
3.1.1
Cooper-
Paamng durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung 115
3.1.2 Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie 123
XII
I
Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Experimente zur unmittelbaren Bestätigung der Grundvorstellungen
über den supraleitenden Zustand 128
3.1.3.1 Der Isotopeneffekt 129
3.1.3.2 Die Energielücke 132
Absorption elektromagnetischer Strahlung 132
Ultraschallabsorption 134
Tunnelexperimente 135
3.1.4 Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter 148
3.1.4.1 Der Einfluss von Gitterstörungen auf die konventionelle
Cooper-
Paarung 148
Der Anisotropieeffekt 148
Der Valenzeffekt ISO
Die Elektron-Phonon-Wechselwirkung J52
3.1.4.2 Der Einfluss paramagnetischer Ionen auf die konventionelle
Cooper-Paarung 155
3.2 Unkonventionelle Supraleitung 161
3.2.1 Allgemeine Gesichtspunkte 161
3.2.2 Hochtemperatursupraleiter 167
3.2.3 Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle
Supraleiter 185
Literatur 192
4 Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden
Zustandes 197
4.1 Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik 198
4.2 Die spezifische Warme 202
4.3 Die Wärmeleitfähigkeit 205
4.4 Grundzüge der Ginzburg-Landau-Theorie 209
4.5 Die charakteristischen Längen der Ginzburg-Landau-Theorie 212
4.6 Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld 218
4.6.1 Das kritische Feld und die Magnetisierung stabförmiger Proben 218
4.6.2 Die Thermodynamik des Meißner-Zustandes 223
4.6.3 Kritisches Magnetfeld dünner Schichten in einem Feld parallel zur
Oberfläche 227
4.6.4 Der Zwischenzustand 228
4.6.5 Die Phasengrenzenergie 233
4.6.6 Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand 236
4.7 Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld 241
4.7.1 Magnetisierungskurve und kritische Felder 243
4.7.2 Die Shubnikov-Phase 254
4.8 Fluktuationen oberhalb der Sprungtemperatur 265
4.9 Zustände außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 270
Literatur 275
Inhaltsverzeichnis
I
XIII
5 Kritische Ströme in Supraleitern
Ί.
und 2. Art 281
5.1 Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung 281
5.2 Typ-I-Supraleiter 283
5.3 Typ-II-Supraleiter 289
5.3.1 Ideale Typ-Il-Supraleiter 290
5.3.2 Harte Supraleiter 294
5.3.2.1 Die Verankerung von Flussschläuchen 295
5.3.2.2 Die Magnetisierungskurve von harten Supraleitern 299
5.3.2.3 Kritische Ströme und Strom-Spannungs-Kennlinien 309
Literatur 317
6 Josephsonkontakte und ihre Eigenschaften 319
6.1 Stromtransport über Grenzflächen im Supraleiter 319
6.1.1 Supraleiter-Isolator-Grenzflächen 319
6.1.2 Supraleiter-Norrnalleirer-Grenzflächen 326
6.2 Das RCSJ-Modell 334
6.3 fosephsonkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung 340
6.4 Flusswirbel in ausgedehnten
Josephsonkontakten
343
6.5 Quanteneigenschaften von supraleitenden Tunnelkontakten 355
6.5.1 Coulomb-Blockade und Tunneln einzelner Ladungen 355
6.5.2 Flussquanten und makroskopische Quantenkohärenz 361
Literatur 364
7 Anwendungen der Supraleitung 367
7.1 Supraleitende Magnetspulen 369
7.1.1 Allgemeine Aspekte 369
7.1.2 Supraleitende Kabel und Bänder 370
7.1.3 Spulenschutz 379
7.2 Supraleitende Permanentmagnete 381
7.3 Anwendungen für supraleitende Magnetspulen 384
7.3.1 Kernspinresonanz 384
7.3.2 Kernspintomographie 388
7.3.3 Teilchenbeschleuniger 389
7.3.4 Kernfusion 39)
7.3.5 Energiespeicher 393
7.3.6 Motoren und Generatoren 395
7.3.7 Magnetische Separation 396
7.3.8 Schwebeziige 396
7.4 Supraleiter für die Leistungsübertragung: Kabel, Transformatoren
und Strombegrenzer 397
7.4.1 Supraleitende Kabel 39S
7.4.2 Transformatoren 400
7.4.3 Strombegrenzer 401
XIV
I
Inhaltsverzeichnis
7.5 Supraleitende Resonatoren und Filter 402
7.5.1 Das Hochfrequenzverhalten von Supraleitern 402
7.5.2 Resonatoren
för
Teilchenbeschleuniger 407
7.5.3 Resonatoren und Filter für die Kommunikationstechnik 410
7.6 Supraleiter als Detektoren 414
7.6.1 Empfindlichkeit, thermisches Rauschen und Störeinflüsse 415
7.6.2 Inkohärente Strahlungs- und Teilchendetektion:
Bolometer
und
Kalorimeter 416
7.6.3 Kohärente Strahlungsdetektion und -erzeugung: Mischer,
Lokaloszillatoren und integrierte Empfänger 420
7.6.4 Quanteninterferometer als Magnetfeldsensoren 427
7.6.4.1 SQUID-Magnetometer: Grundlegende Konzepte 428
7.6.4.2 Störsignale, Gradiometer und Abschirmungen 439
7.6.4.3 Anwendungen von SQUIDs 442
7.7 Supraleiter in der Mikroelektronik 446
7.7.1 Spannungsstandards 446
7.7.2 Digitalelektronik mit
Josephsonkontakten
450
Literatur 455
Monographien und Stoffsammlungen 461
Ausblicke 465
Stichwortverzeichnis 471
|
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Xl
Inhaltsverzeichnis
Einleitung 1
1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern 11
1.1 Das Verschwinden des elektrischen Widerstandes 11
1.2 Idealer Diamagnetismus, Flussschläuche und Flussquantisierung 22
1.3 Die Flussquantisierung im supraleitenden Ring 29
1.4 Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphänomen 32
1.5 Quantenin terferenzen 46
1.5.1 Josephsonströme 47
1.5.2 Quanteninterferenzen im Magnetfeld 60
Literatur 73
2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen 75
2.1 Vorbemerkung: Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter 75
2.2 Supraleitende Elemente 78
2.3 Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen S3
2.3.1 Die ß-Wolfram-Struktur 83
2.3.2 Magnesium-Diborid 86
2.3.3 Metall-Wasserstoff-Systeme 87
2.4 Füllende 88
2.5 Chevrel-Phasen und Borkarbide 89
2.6 Schwere-Fermionen-Supraleiter 92
2.7 Natürliche und künstliche Schichtsupraleiter 94
2.8 Die supraleitenden Oxide 97
2.8.1 Kuprate 97
2.8.2 Wismutate, Ruthenate und andere oxidische Supraleiter 103
2.9 Organische Supraleiter 104
2.10 Supraleiter durch Feldeffekt? 107
Literatur 109
3 Die Cooper-Paarung 125
3.1 Konventionelle Supraleitung 115
3.1.1
Cooper-
Paamng durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung 115
3.1.2 Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie 123
XII
I
Inhaltsverzeichnis
3.1.3 Experimente zur unmittelbaren Bestätigung der Grundvorstellungen
über den supraleitenden Zustand 128
3.1.3.1 Der Isotopeneffekt 129
3.1.3.2 Die Energielücke 132
Absorption elektromagnetischer Strahlung 132
Ultraschallabsorption 134
Tunnelexperimente 135
3.1.4 Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter 148
3.1.4.1 Der Einfluss von Gitterstörungen auf die konventionelle
Cooper-
Paarung 148
Der Anisotropieeffekt 148
Der Valenzeffekt ISO
Die Elektron-Phonon-Wechselwirkung J52
3.1.4.2 Der Einfluss paramagnetischer Ionen auf die konventionelle
Cooper-Paarung 155
3.2 Unkonventionelle Supraleitung 161
3.2.1 Allgemeine Gesichtspunkte 161
3.2.2 Hochtemperatursupraleiter 167
3.2.3 Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle
Supraleiter 185
Literatur 192
4 Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden
Zustandes 197
4.1 Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik 198
4.2 Die spezifische Warme 202
4.3 Die Wärmeleitfähigkeit 205
4.4 Grundzüge der Ginzburg-Landau-Theorie 209
4.5 Die charakteristischen Längen der Ginzburg-Landau-Theorie 212
4.6 Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld 218
4.6.1 Das kritische Feld und die Magnetisierung stabförmiger Proben 218
4.6.2 Die Thermodynamik des Meißner-Zustandes 223
4.6.3 Kritisches Magnetfeld dünner Schichten in einem Feld parallel zur
Oberfläche 227
4.6.4 Der Zwischenzustand 228
4.6.5 Die Phasengrenzenergie 233
4.6.6 Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand 236
4.7 Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld 241
4.7.1 Magnetisierungskurve und kritische Felder 243
4.7.2 Die Shubnikov-Phase 254
4.8 Fluktuationen oberhalb der Sprungtemperatur 265
4.9 Zustände außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 270
Literatur 275
Inhaltsverzeichnis
I
XIII
5 Kritische Ströme in Supraleitern
Ί.
und 2. Art 281
5.1 Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung 281
5.2 Typ-I-Supraleiter 283
5.3 Typ-II-Supraleiter 289
5.3.1 Ideale Typ-Il-Supraleiter 290
5.3.2 Harte Supraleiter 294
5.3.2.1 Die Verankerung von Flussschläuchen 295
5.3.2.2 Die Magnetisierungskurve von harten Supraleitern 299
5.3.2.3 Kritische Ströme und Strom-Spannungs-Kennlinien 309
Literatur 317
6 Josephsonkontakte und ihre Eigenschaften 319
6.1 Stromtransport über Grenzflächen im Supraleiter 319
6.1.1 Supraleiter-Isolator-Grenzflächen 319
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6.5 Quanteneigenschaften von supraleitenden Tunnelkontakten 355
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Literatur 364
7 Anwendungen der Supraleitung 367
7.1 Supraleitende Magnetspulen 369
7.1.1 Allgemeine Aspekte 369
7.1.2 Supraleitende Kabel und Bänder 370
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7.2 Supraleitende Permanentmagnete 381
7.3 Anwendungen für supraleitende Magnetspulen 384
7.3.1 Kernspinresonanz 384
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und Strombegrenzer 397
7.4.1 Supraleitende Kabel 39S
7.4.2 Transformatoren 400
7.4.3 Strombegrenzer 401
XIV
I
Inhaltsverzeichnis
7.5 Supraleitende Resonatoren und Filter 402
7.5.1 Das Hochfrequenzverhalten von Supraleitern 402
7.5.2 Resonatoren
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Teilchenbeschleuniger 407
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7.6 Supraleiter als Detektoren 414
7.6.1 Empfindlichkeit, thermisches Rauschen und Störeinflüsse 415
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7.7 Supraleiter in der Mikroelektronik 446
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