Supraleitung: Grundlagen und Anwendungen

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.

Table of Contents:
Vorwort zur 1. Auflage vii Vorwort zur 8. Auflage ix Einleitung 1 1 Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern 11 1.1 Das Verschwinden des elektrischen Widerstands 11 1.1.1 Grundlegendes zum Widerstand von Metallen 11 1.1.2 Dauerströme im Supraleiter 16 1.2 Idealer Diamagnetismus, Flussschläuche und Flussquantisierung 20 1.2.1 Der ideale Leiter 21 1.2.2 Der ideale Diamagnetismus 21 1.2.3 Typ-I- und Typ-II-Supraleiter; Flussschläuche 22 1.2.4 Levitation in der Shubnikov-Phase 28 1.3 Die Flussquantisierung in supraleitenden Ringen und Hohlzylindern 29 1.4 Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphänomen 32 1.4.1 Fluxoid- und Flussquantisierung 33 1.4.2 Der ideale Diamagnetismus 35 1.4.3 Warum gibt es Typ-I- und Typ-II-Supraleiter? 40 1.4.4 Widerstand null 41 1.5 Quanteninterferenzen 45 1.5.1 Allgemeines zu Interferenzen 46 1.5.2 Josephson-Ströme und die Josephson-Gleichungen 47 1.5.3 Zeitliche Quanteninterferenz: Beobachtung des Josephson- Wechselstroms 55 1.5.4 Räumliche Quanteninterferenzen im Magnetfeld 58 1.5.4.1 Der supraleitende Quanteninterferenzdetektor 58 1.5.4.2 Quanteninterferenz im Josephson-Kontakt 63 Zusammenfassung 70 2 Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen 73 2.1 Vorbemerkungen 73 2.1.1 Entdeckung, Herstellung und Charakterisierung von neuen Supraleitern 73 2.1.2 Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter 74 2.2 Supraleitende Elemente 77 2.3 Die supraleitenden Hydride 81 2.4 Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen 84 2.4.1 Die β-Wolframstruktur 84 2.4.2 Magnesiumdiborid 86 2.5 Fulleride 87 2.6 Chevrel-Phasen und Borkarbide 88 2.7 Schwere-Fermionen-Supraleiter 90 2.8 Natürliche und künstliche Schichtsupraleiter 93 2.9 Die supraleitenden Oxide 95 2.9.1 Kuprate 95 2.9.2 Wismutate, Ruthenate, Nickelate und andere oxidische Supraleiter 100 2.10 Eisenpniktide und verwandte Verbindungen 102 2.11 Organische Supraleiter 105 2.12 Supraleitung an Grenzflächen 107 2.13 Graphenbasierte Supraleitung 109 Zusammenfassung 112 3 Die Cooper-Paarung 115 3.1 Konventionelle Supraleitung 115 3.1.1 Cooper-Paarung durch die Elektron-Phonon Wechselwirkung 115 3.1.2 Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie 120 3.1.3 Experimente zur unmittelbaren Bestätigung der Grundvorstellungen über den supraleitenden Zustand 125 3.1.3.1 Der Isotopeneffekt 125 3.1.3.2 Die Energielücke 128 3.1.3.3 Tunnelspektroskopie 140 3.1.4 Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter 143 3.2 Unkonventionelle Supraleitung 152 3.2.1 Allgemeine Gesichtspunkte: Wie erkennt man (un)konventionelle Supraleiter? 153 3.2.2 Kupratsupraleiter 159 3.2.2.1 Einleitende Betrachtungen 159 3.2.2.2 Amplitudensensitive Experimente zur Symmetrie des Ordnungsparameters 162 3.2.2.3 Phasensensitive Experimente zur Symmetrie des Ordnungsparameters 166 3.2.3 Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle Supraleiter 175 3.2.4 FFLO-Zustand und Mehrbandsupraleitung 179 Zusammenfassung 182 4 Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden Zustands 187 4.1 Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik 187 4.2 Die spezifische Wärme 191 4.3 Die Wärmeleitfähigkeit 195 4.4 Grundzüge der Ginzburg-Landau-Theorie 198 4.5 Die charakteristischen Längen der Ginzburg-Landau-Theorie 202 4.6 Typ-I-Supraleiter im Magnetfeld 208 4.6.1 Das kritische Feld und die Magnetisierung stabförmiger Proben 208 4.6.1.1 Magnetisierungskurven 208 4.6.1.2 Gibbs-Funktion und kritisches Magnetfeld 210 4.6.2 Die Thermodynamik des Meißner-Zustands 212 4.6.2.1 Differenz der Entropien im Normal- und Suprazustand 212 4.6.2.2 Differenz der spezifischen Wärmen im Normal- und Suprazustand 214 4.6.3 Kritisches Magnetfeld dünner Schichten in einem Feld parallel zur Oberfläche 216 4.6.4 Der Zwischenzustand 217 4.6.5 Die Phasengrenzenergie 222 4.6.6 Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand 225 4.7 Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld 229 4.7.1 Vorbemerkungen 230 4.7.2 Magnetisierungskurven und kritische Felder 231 4.7.3 Die Shubnikov-Phase 242 4.8 Fluktuationen und Zustände außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 253 Zusammenfassung 263 5 Kritische Ströme in Supraleitern erster und zweiter Art 267 5.1 Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung 268 5.2 Typ-I-Supraleiter 270 5.3 Typ-II-Supraleiter 275 5.3.1 Ideale Typ-II-Supraleiter 276 5.3.2 Harte Supraleiter 280 5.3.2.1 Die Verankerung von Flussschläuchen 280 5.3.2.2 Die Magnetisierungskurven von harten Supraleitern 286 Zustandekommen der Hysterese: Bean-Modell 291 Flusskriechen 294 5.3.2.3 Kritische Ströme und Strom-Spannungs-Kennlinien 295 Zusammenfassung 302 6 Josephson-Kontakte und ihre Eigenschaften 305 6.1 Stromtransport über Grenzflächen im Supraleiter 305 6.1.1 Supraleiter-Isolator-Grenzflächen 305 6.1.2 Supraleiter-Normalleiter-Grenzflächen 312 6.1.3 Supraleiter-Ferromagnet-Grenzflächen 319 6.2 Das RCSJ-Modell 320 6.3 Josephson-Kontakte unter Mikrowelleneinstrahlung 327 6.4 Flusswirbel in ausgedehnten Josephson-Kontakten 330 6.4.1 Sinus-Gordon-Gleichung 330 6.4.2 Plasmawellen und Fluxonen 332 6.4.3 Fiske-Stufen 334 6.4.4 Nullfeldstufen 336 6.4.5 Flux-Flow-Stufen 340 6.5 Makroskopische Quanteneffekte in Josephson-Kontakten und verwandten Systemen 342 6.5.1 Coulomb-Blockade und Tunneln einzelner Ladungen 342 6.5.2 Makroskopische Quantenkohärenz mit Josephson-Kontakten 348 6.5.3 Schaltkreis-Quantenelektrodynamik 352 Zusammenfassung 355 7 Anwendungen der Supraleitung 359 7.1 Supraleitende Magnetspulen 361 7.1.1 Allgemeine Aspekte 361 7.1.2 Supraleitende Drähte, Bänder und Kabel 362 7.1.3 Spulenschutz 373 7.2 Supraleitende Permanentmagnete 375 7.3 Anwendungen für supraleitende Magnetspulen 377 7.3.1 Kernspinresonanz 377 7.3.2 Kernspintomographie 380 7.3.3 Teilchenbeschleuniger 381 7.3.4 Kernfusion 384 7.3.5 Energiespeicher 385 7.3.6 Motoren und Generatoren 388 7.3.7 Magnetische Separatoren und Induktionsheizer 391 7.3.8 Schwebezüge 393 7.4 Supraleiter für die Leistungsübertragung: Kabel, Transformatoren und Strombegrenzer 394 7.4.1 Supraleitende Kabel 394 7.4.2 Transformatoren 397 7.4.3 Strombegrenzer 398 7.5 Supraleitende Resonatoren und Filter 399 7.5.1 Das Hochfrequenzverhalten von Supraleitern 399 7.5.2 Resonatoren für Teilchenbeschleuniger 404 7.5.3 Resonatoren und Filter für die Kommunikationstechnik 405 7.6 Supraleiter als Detektoren 410 7.6.1 Empfindlichkeit, thermisches Rauschen und Störeinflüsse 411 7.6.2 Inkohärente Strahlungs- und Teilchendetektion: Bolometer und Kalorimeter 412 7.6.3 Kohärente Strahlungsdetektion und -erzeugung: Mischer, Lokaloszillatoren und integrierte Empfänger 418 7.6.4 Quanteninterferometer als Magnetfeldsensoren 426 7.6.4.1 SQUID-Magnetometer: grundlegende Konzepte 426 7.6.4.2 Störsignale, Gradiometer und Abschirmungen 436 7.6.4.3 Anwendungen von SQUIDs 438 7.7 Supraleiter in der Mikroelektronik 444 7.7.1 Spannungsstandards 444 7.7.2 Digitalelektronik mit Josephson-Kontakten 447 7.7.3 Auf dem Weg zum Quantencomputer 452 Zusammenfassung 459 Stichwortverzeichnis 465

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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. 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.