Supraleitung: Grundlagen und Anwendungen, 7.Auflage

504 Pages·2013·10.52 MB·English

by  Prof. Dr. Werner Buckel

Werner Buckel, Reinhold Kleiner
Supraleitung
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Werner Buckel, Reinhold Kleiner
Supraleitung
Grundlagen und Anwendungen
7., aktualisierte und erweiterte Auflage
Autoren 7.aktualisierteunderweiterteAuflage2013
Prof.Dr.W.Buckel† AlleBÅchervonWiley-VCHwerdensorgf(cid:2)ltigerarbeitet.
Prof.Dr.ReinholdKleiner DennochÅbernehmenAutoren,HerausgeberundVerlagin
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2 3 7
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insbesonderevonDatenverarbeitungsmaschinen,verwend-
bareSpracheÅbertragenoderÅbersetztwerden.DieWieder-
gabevonWarenbezeichnungen,Handelsnamenodersonsti-
genKennzeichenindiesemBuchberechtigtnichtzuder
Annahme,dassdiesevonjedermannfreibenutztwerden
dÅrfen.Vielmehrkannessichauchdannumeingetragene
WarenzeichenodersonstigegesetzlichgeschÅtzte
Kennzeichenhandeln,wennsienichteigensalssolche
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Heike Kamerlingh-Onnes
FÅr die freundliche (cid:3)berlassung dieses Bildes danken wir
Herrn Professor Dr. C. J. Gorter, Kamerlingh-Onnes Laboratorium, Leiden
Vorwort zur 7. Auflage
Acht Jahre sind seit der letzten Auflage dieses Buches vergangen, es war an der
Zeit, den Text zu Åberarbeiten und auf neue Entwicklungen einzugehen. So
wurde mit den Eisenpniktiden eine neue Klasse von Supraleitern gefunden,
deren Entdeckung unter den Physikern fast so viel Aufruhr verursachte wie in
den 1980er Jahren die Entdeckung der Kupratsupraleiter. Auch gab es eine Viel-
zahlinteressanterAnwendungen,etwaimBereichdersupraleitendenKabelund
Magnete oder, mit den Quantenbits, im Bereich der Mikroelektronik. Um den
UmfangdesBucheseinigermaßenimRahmenzuhalten,konntenaberbeiwei-
temnichtalleErgebnisseaufgenommenwerden.Ichbittedieszuentschuldigen.
WieauchindenvorangegangenenAuflagenstehtweiterhinganzimSinnevon
Werner Buckel der Grundgedanke im Vordergrund, die Supraleitung auf
mÇglichsteinfacheArtdarzustellen.SosollauchNichtfachleuteneinenEinblick
indiesesnun100JahrealteundnachwievorspannendeGebietgegebenwerden.
MeinherzlicherDankgiltallenKollegen,diemitvielenVorschl(cid:2)genundTipps
zur Neugestaltung des Buches beigetragen haben, insbesondere Frau Vera
Palmer, Frau Ulrike Werner, sowie den Herren Harald Reiss, Paul Seidel und
Peter Kes. Herrn Klaus Schlenga, Bruker EST, danke ich besonders fÅr die Text-
gestaltung des Abschnitts 7.3.1. Frau van BÅhl (Nexans), Frau Cheri Hart
(AMSC), sowie den Herren Joachim Albrecht (Hochschule Aalen), Alexander
Henning(BrukerASC),TomH.Johansen(SuperconductivityLab.derUniversit(cid:2)t
Oslo), Hans Henning Klauss (TU Dresden), Hubertus LÅtkens (Paul Scherrer
Institut), S. Mahieu (IRAM), Xiaofeng Qian (MIT), Daniel Schmickler (Zenergy
GmbHundFa.ConverteamUKLtd.),WolfgangSchmidt(SiemensAG),Michael
Strasik (Boeing), sowie dem CERN danke ich fÅr die (cid:3)berlassung unverÇffent-
lichterAbbildungen.DenHerrenJoachimNagel,MatthiasRudolphundMatthias
Kemmler (Physikalisches Institut der Universit(cid:2)t TÅbingen), danke ich fÅr die
Erstellung des Titelbildes.
TÅbingen, im Januar 2012 Reinhold Kleiner
Vorwort zur 1. Auflage
Nahezu 5 Jahrzehnte konnte die Supraleitung nicht befriedigend gedeutet wer-
den. Heute haben wir eine mikroskopische Theorie, die eine FÅlle von Erschei-
nungen erfaßt und zum Teil sogar quantitativ beschreibt. Damit ist das Ph(cid:2)no-
men Supraleitung zumindest im Prinzip verstanden.
Mit dem Bau großer supraleitender Magnete hat die technische Auswertung
der Supraleitung begonnen. Weitere Anwendungen in der Elektrotechnik, z.B.
fÅr die LeistungsÅbertragung, werden intensiv studiert. Auf einigen Gebieten
der elektrischen Meßtechnik hat die Supraleitung durch eine Steigerung der
EmpfindlichkeitumeinigeGrÇßenordnungen,z.B.beiderMagnetfeldmessung,
geradezu einen Durchbruch bewirkt.
DamitwirddasInteresseandieserErscheinunginZukunftnichtaufdenPhy-
siker beschr(cid:2)nkt bleiben. Vielmehr werden mehr und mehr Ingenieure mit
diesem Ph(cid:2)nomen konfrontiert werden. Die Anwendungen werden auch dazu
fÅhren,daßdieSupraleitungst(cid:2)rkerindasBlickfelddertechnischinteressierten
(cid:4)ffentlichkeit rÅckt.
An alle diese interessierten »Nichtfachleute« wendet sich die vorliegende Ein-
fÅhrung in die Supraleitung. Es wird versucht, unsere Grundvorstellungen
Åber die Supraleitung mÇglichst anschaulich und unter bewußtem Verzicht auf
mathematische Formulierungen darzustellen. Auf dem Hintergrund dieser Vor-
stellungen werden die vielf(cid:2)ltigen Erscheinungen diskutiert. Auch die Anwen-
dungen werden dabei eingehend behandelt.
NatÅrlich kann eine solche einfÅhrende Darstellung nur eine begrenzte Aus-
wahlvon(cid:3)berlegungenundFaktenbringen.JedesolcheAuswahlmußnotwendi-
gerweisesehrsubjektivsein.UnterVerzichtaufvieleEinzelheitenwurdeversucht,
ein mÇglichst umfassendes Bild der Supraleitung und insbesondere ihrer Quan-
tennatur zugeben. Dabei schien es nicht zweckm(cid:2)ßig, der historischen Entwick-
lung zu folgen. Vielmehr werden die Erscheinungen ihrem inneren Zusammen-
hangnachgeordnetundbehandelt.ZweifelloswirddabeivielhervorragendePio-
nierarbeit nicht entsprechend gewÅrdigt. Auch das Literaturverzeichnis gibt
keineswegs einen repr(cid:2)sentativen Querschnitt der vielen tausend Arbeiten, die
zumThemaSupraleitungerschienensind.EssolldeminteressiertenLeserledig-
lich einen Zugang zur Originalliteratur erÇffnen. Im Åbrigen kann fÅr Spezial-
fragen auf eine ganze Reihe hervorragender Monographien verwiesen werden.
Vorwortzur1.Auflage IX
Das Buch hat seinen Zweck erfÅllt, wenn es dazu beitragen kann, die Supra-
leitung einem weiteren Kreis von Interessierten n(cid:2)her zu bringen. Vielleicht
kann es darÅber hinaus als kurze Zusammenfassung auch denen eine kleine
Hilfe sein, die selbst Fragen der Supraleitung bearbeiten.
VielehabenmichbeiderArbeitandiesemBuchdadurchtatkr(cid:2)ftigunterstÅtzt,
daßsiestetsbereitwaren,ÅberalleauftauchendenProblememitmireingehend
zu diskutieren. Ihnen allen habe ich sehr zu danken. Ganz besonders danke ich
meinem lieben Kollegen Falk, der unermÅdlich bereit war, meine Fragen zu be-
antwortenundzudiskutieren.HerzlichzudankenhabeichmeinenMitarbeitern,
sowohl in Karlsruhe als auch in JÅlich, unter ihnen besonders den Herren
Dr. Baumann, Dr. Gey, Dr. Hasse, Dr. Kinder und Dr. Wittig. Den Herren
Dr. Appleton (EEDIRDC), Dr. Schmeissner (CERN), Dr. Kirchner (MÅnchen);
Prof. Rinderer (L.ausanne), Dr. Eßmann (Stuttgart) und Dr. Voigt (Erlangen)
sowie den Firmen Siemens, Vakuumschmelze und General Electric mÇchte ich
sehr herzlich fÅr die freundliche (cid:3)berlassung von Bildern danken. Dem Physik
Verlag bin ich fÅr die angenehme Zusammenarbeit sehr verbunden.
BesondersherzlichhabeichabermeinerliebenFrauzudanken,diemitgroßer
Geduld ertragen hat, daß ich manche Abende und Sonntage ausschließlich mit
der Arbeit an diesem Buch verbracht habe.
JÅlich, im August 1971 Werner Buckel
Werner Buckel
15.5.1920 – 3.2.2003
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur 7. Auflage VII
Vorwort zur 1. Auflage VIII
Einleitung 1
Literatur 9
1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern 11
1.1 Das Verschwinden des elektrischen Widerstandes 11
1.2 Diamagnetismus, Flussschl(cid:2)uche und Flussquantisierung 22
1.3 Flussquantisierung im supraleitenden Ring 31
1.4 Supraleitung: ein makroskopisches Quantenph(cid:2)nomen 34
1.5 Quanteninterferenzen 47
1.5.1 JosephsonstrÇme 49
1.5.2 Quanteninterferenzen im Magnetfeld 61
Literatur 74
2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen 77
2.1 Vorbemerkungen 77
2.1.1 Entdeckung, Herstellung und Charakterisierung von neuen
Supraleitern 77
2.1.2 Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter 78
2.2 Supraleitende Elemente 81
2.3 Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen 85
2.3.1 Die b-Wolfram-Struktur 85
2.3.2 Magnesium-Diborid 87
2.3.3 Metall-Wasserstoff-Systeme 88
2.4 Fulleride 90
2.5 Chevrel-Phasen und Borkarbide 91
2.6 Schwere-Fermionen-Supraleiter 94
2.7 NatÅrliche und kÅnstliche Schichtsupraleiter 96
2.8 Die supraleitenden Oxide 98
2.8.1 Kuprate 99
2.8.2 Wismutate, Ruthenate und andere oxidische Supraleiter 105
2.9 Eisenpniktide und verwandte Verbindungen 107
XII Inhaltsverzeichnis
2.10 Organische Supraleiter 109
2.11 Supraleitung an Grenzfl(cid:2)chen 112
Literatur 114
3 Die Cooper-Paarung 119
3.1 Konventionelle Supraleitung 119
3.1.1 Cooper-Paarung durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung 119
3.1.2 Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie 127
3.1.3 Experimente zur unmittelbaren Best(cid:2)tigung der
Grundvorstellungen Åber den supraleitenden Zustand 132
3.1.3.1 Der Isotopeneffekt 133
3.1.3.2 Die EnergielÅcke 136
3.1.4 Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter 152
3.1.4.1 Der Einfluss von GitterstÇrungen auf die konventionelle
Cooper-Paarung 152
3.1.4.2 Der Einfluss paramagnetischer Ionen auf die konventionelle
Cooper-Paarung 158
3.2 Unkonventionelle Supraleitung 165
3.2.1 Allgemeine Gesichtspunkte 165
3.2.2 Kupratsupraleiter 171
3.2.3 Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle
Supraleiter 189
3.2.4 FFLO-Zustand und Mehrbandsupraleitung 195
Literatur 199
4 Thermodynamik und thermische Eigenschaften
des supraleitenden Zustandes 203
4.1 Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik 203
4.2 Die spezifische W(cid:2)rme 208
4.3 Die W(cid:2)rmeleitf(cid:2)higkeit 211
4.4 GrundzÅge der Ginzburg-Landau-Theorie 215
4.5 Die charakteristischen L(cid:2)ngen der Ginzburg-Landau-Theorie 218
4.6 Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld 224
4.6.1 Das kritische Feld und die Magnetisierung stabfÇrmiger Proben 225
4.6.2 Die Thermodynamik des Meißner-Zustands 229
4.6.3 Kritisches Magnetfeld dÅnner Schichten in einem Feld
parallel zur Oberfl(cid:2)che 233
4.6.4 Der Zwischenzustand 235
4.6.5 Die Phasengrenzenergie 239
4.6.6 Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand 243
4.7 Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld 247
4.7.1 Magnetisierungskurve und kritische Felder 249
4.7.2 Die Shubnikov-Phase 260
4.8 Fluktuationen oberhalb der Sprungtemperatur 272
4.9 Zust(cid:2)nde außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 276
Literatur 282