DE1490955B1 - Supraleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Supraleitermaterialien rials ist — gleichzeitig auf eine Sprungtemperatur T_c

sowie auf Vorrichtungen, die unter Verwendung dieser oder darunter abgekühlt ist.

Materialien aufgebaut sind. Bei den erfindungsgemäß als Supraleiter verwendeten

In den letzten Jahren hat die Verwendung supra- Materialien werden die Leitfähigkeitselektronen in leitender Materialien in verschiedenen Vorrichtungen, 5 einem äußeren Feld in einer Richtung polarisiert,

insbesondere bei Magneten hoher Feldstärke und welche dem Feld, das von den Spinmomenten der

niedriger Leistung, bei Übertragungsleitungen niedri- magnetischen Elektronen herrührt, entgegengerichtet

gen Widerstands und bei Schaltvorrichtungen, z.B. ist. Auch ist es für die Zwecke der Erfindung wesentlich,

dem Kryotron, große Bedeutung erfahren. daß die Leitfähigkeitselektronen des Materials in

Während viele Gesichtspunkte der quantenmecha- io Abwesenheit der lokalisierten magnetischen Momente

nischen Theorie der Supraleitfähigkeit noch ungeklärt die Existenz eines Nullwiderstands bei einer endlichen

sind, wurde andererseits viel üBer das Verhalten Temperatur erlauben würden.

spezieller Materialien berichtet und gewisse, denselben Durch die Erfindung wird die Technik dadurch eigentümliche theoretische Grenzen aufgezeigt. So gilt wesentlich bereichert, daß für supraleitende Vorriches beispielsweise als gesichert, daß äußere Magnetfelder 15 tungen nunmehr eine völlig neue Gruppe von Matedie Sprungtemperatur (T_c), unterhalb der Supraleit- rialien als Supraleiter zur Verfügung steht, von denen fähigkeit auftritt, gleichförmig herabsetzen und daß bisher angenommen wurde, daß sie diese Eigenschaft demgemäß eine Maximalfeldstärke, die kritische Feld- grundsätzlich nicht haben, und die darüber hinaus im stärke (H₀), existiert, oberhalb der Supraleitfähigkeit supraleitenden Zustand wesentlich höhere Feldstärken nicht mehr auftritt. Die kritische Feldstärke H_c wurde 30 als bisher zulassen.

theoretisch als eine feste Größe mit Bezug auf die bei Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich-

der Feldstärke Null vorhandenen Sprungtemperatur T_c nung beschrieben; es zeigt

berechnet. Diese Beziehung, als Clogston-Grenze F i g. 1 Diagramme der Sprungtemperatur T_c in Abbezeichnet und in Physical Review Letter vom 15. 9. hängigkeit von der angelegten Feldstärke eines ge-1962 beschrieben, lautet: 35 wohnlichen supraleitenden Materials bzw. eines supra- H < 18400 T (V) leitenden Materials gemäß der Erfindung,

^c ~~ ^c' F i g. 2 eine schematische Ansicht einer einfachen wenn H_c in Gauß und T₀ in Grad Kelvin eingesetzt Vorrichtung, die unter Verwendung des erfindungswerden. Diese Beziehung wird für alle gegenwärtig gemäßen Supraleitermaterials aufgebaut ist,
bekannte, sogenannte »harte« Supraleiter als gültig 30 F i g. 3 eine Ansicht einer bevorzugten Vorrichtung, angesehen. Harte Supraleiter sind jene, welche einen die unter Verwendung des erfindungsgemäßen Supraunvollständigen Meissner-Effekt aufweisen, d. h. eine leitermaterials aufgebaut ist, und
vollständige Felddurchdringung gestatten (siehe z. B. F i g. 4 ein Diagramm der kritischen Temperatur T_c das Buch »Superconductivity« von David S h ο e η - in Abhängigkeit von der angelegten Magnetfeldb e r g , Cambridge University Press, Cambridge 35 stärke H zur Erläuterung der Wirkungsweise der VorEngland), richtung nach F i g. 3.

Eine andere als gesichert angesehene Tatsache ist die, Bei den bekannten, »gewöhnlich« supraleitfähigen daß die Gegenwart lokalisierter magnetischer Elek- Materialien wird die Sprungtemperatur in einem tronen in der Gitterstruktur eines Materials das Auf- äußeren Magnetfeld durchweg reduziert. Eine typische treten von Supraleitfähigkeit verhindert. Diese Er- 40 Kurve, die diese Beziehung illustriert, ist in Fig. 1 scheinung ist als eine Folge der Reduzierung der bei 10 gezeigt. Im positiven Quadranten weist demnach freien Energie der Leitfähigkeitselektronen im Normal- die Temperaturkurve in Abhängigkeit von der Feldzustand gegenüber dem Supraleitfähigkeitszustand stärke einen negativen Gang auf. Dies ist ein fundainfolge der durch die magnetischen Spinmomente mentaler Begriff der klassischen Supraleitfähigkeit, erzeugten inneren Austauschfeldern erkannt worden. 45 Wenn jedoch ein für den Supraleiter gemäß Erfindung Daher war man bisher der Ansicht, daß — abgesehen verwendetes ferromagnetisches Material einem äußeren von einigen wenigen Ausnahmen (vgl. USA.-Patent- Feld ausgesetzt wird, erhält man eine Beziehung, wie Schriften 2 970 961 und 2 989 480) — ferromagnetische sie durch die Kurve 11 der F i g. 1 dargestellt ist. Man Materialien keine Supraleitfähigkeit aufweisen. kann zeigen, daß die Gegenwart magnetischer Spins

Der Erfindung liegt die unerwartete und bedeutsame 50 im Gitter des Materials ein inneres Feld zur Folge hat, Entdeckung zugrunde, daß gewisse magnetische das die Supraleitfähigkeit zerstört, daß aber ein AnMaterialien, die normalerweise keine Supraleitfähig- legen eines äußeren Feldes den schädlichen Effekt der keit aufweisen, unter bestimmten Bedingungen in den Spinmomente aufhebt, wodurch die Existenz des supraleitenden Zustand versetzt werden können und supraleitfähigen Zustandes ermöglicht wird. Dieses ist daß hierbei gewisse überraschende und vorteilhafte 55 in F i g. 1 durch die Kurve 11 dargestellt. Der Wert H_c Ergebnisse erhalten werden. ist die maximale Feldstärke, bei der ein gewöhnlicher

Der Supraleiter ist erfindungsgemäß dadurch gekenn- Supraleiter noch funktioniert; jener ergibt sich aus der

zeichnet, daß er aus einem Material mit einer spezi- vorstehenden Gleichung (1). Bei einem magnetischen

fischen Elektronenwärme von Material gemäß der Kurve 11 beginnt dieser Magnet-

60 feldwert gerade damit, das negative innere Feld, das

Cv < 3 · 10~⁴ · Tcal/Mol Grad durch die Spinmomente erzeugt wird, zu eliminieren.

Bei einer Feldstärke H_% beginnt das magnetische Mate-

— wenn T die Temperatur, gemessen in Grad Kelvin, rial Supraleitfähigkeit aufzuweisen, und bei H₃ ist das ist — besteht, das bei Anliegen eines äußeren Magnet- negative Feld vollständig kompensiert, was sich in feldes 65 einer maximalen Sprungtemperatur T₀ äußert. Mit H₀'

H_e> H_n- 18400 Tc ist die kritische Feldstärke für das magnetische Mate

rial bezeichnet. Es ist daher ersichtlich, daß die kriti-

— wenn H_n der Wert des negativen Feldes des Mate- sehe Feldstärke für das magnetische Material nicht

mehr durch Gleichung (1) begrenzt ist, sondern um einen Betrag erhöht werden kann, der gleich dem der inneren negativen Feldstärke im Material ist. Die Größe der inneren negativen Felder hängt stark von der Elektronenstruktur des Materials ab. Bei bestimmten Materialien sind kritische Felder von vielen Megagauß möglich.

Die Erkennung dieses Phänomens führt zu einer neuen Klasse supraleitfähiger Materialien; so weisen z. B. die ferromagnetischen Seltenen Erden Eigenschaften auf, die sich für die Zwecke der Erfindung eignen. Intermetallische Verbindungen, die als Bestandteile Seltene Erden aufweisen, sind besonders geeignet. Hierher gehören vor allem die kubischen Laves-Phasen AB₂, in welchen A ein Element mit einer Ordnungszahl von 57 bis 71 und B ein supraleitfähiges Element, z. B. Os, Al, Ir und Ru, bedeutet. Ebenfalls geeignet sind als A die aktinischen Metalle der Ordnungszahlen 89 bis 92 sowie ähnliche kubische Laves-Phasen. Die kubische Laves-Phase AB₂ ist als der metallurgische Strukturtyp C-15 klassifiziert (s. hierzu im einzelnen W. B. Pearson, »Handbook of Lattice Spacings and Structures of Metals«, Pergammon Press, 1958, New York).

Die vorstehend angegebenen Materialien sind nur beispielhaft für eine Grundklasse von Materialien, die die wesentlichen, ihre erfindungsgemäße Verwendung als Supraleiter gestattenden Eigenschaften aufweisen. Wie erwähnt, sind diese Eigenschaften dadurch bestimmt, daß das Material ein negatives inneres Feld aufweist. Zu Definitionszwecken ist das durchschnittliche magnetische Moment der magnetischen Elektronen vorteilhaft mindestens 0,1 Bohr-Magneton bei einer Temperatur oberhalb 1 ° Kelvin. Das Material hat ferner vorteilhaft bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes einen endlichen Widerstand bei 1° Kelvin und hat in jedem Fall Leitfähigkeitselektronen, welche bei angelegtem endlichem äußerem Magnetfeld einen Widerstand Null (Supraleitfähigkeit) bei einer endlichen Temperatur ermöglichen. Die erfindungsgemäßen supraleitfähigen Materialien sind harte Supraleiter, sie zeigen also vollständige Felddurchdringung.

Da die Materialien, die eine Elektronenstruktur, welche die Existenz eines supraleitenden Zustandes bei endlichen Temperaturen gestattet, aufweisen, durch eine hohe Elektronenzustandsdichte im Leitfähigkeitsband ausgezeichnet sind, wird dieses Kriterium zur Definierung der Materialien verwendet, die in den Bereich der Erfindung fallen. Demgemäß ist für die als Supraleiter gemäß der Erfindung verwendeten Materialien die spezifische Wärme C_v der Elektronen durch die Beziehung

Widerstand Null auf. Die Widerstandsmessung kann nach irgendeinem bekannten Verfahren durchgeführt werden.

5 Material	He (Kilogauß)	7i(°K)
GdOs2 TbOs2 ίο DyOs2 HoOs2 ErOs2 TmOs2 YbOs2 15 GdRu2 TbRu2 DyRu2 HoRu2 ao ErRu2 TmRu2 YbRu2	300 bis 400 150 bis 350 200 bis 300 150 bis 250 100 bis 200 50 bis 150 10 bis 100 900 bis 1000 800 bis 9000 650 bis 800 500 bis 700 300 bis 500 300 bis 500 300 bis 500	<6 <6 <6 <6 <6 <6 <6 <1,7 <1,7 <1,7 <1,7 <1,7 <1,7 <1,7

< 3 · 10-⁴ T(cal/Mol · Grad)

(2)

gegeben. Hierin ist T die endliche Temperatur, bei der ein endlicher Widerstand bei der Feldstärke Null vorhanden ist und bei der Supraleitfähigkeit nach Anlegen eines Magnetfeldes auftritt. Es werden brauchbare Ergebnisse erhalten, wenn die äußere Feldstärke 50 Gauß überschreitet.

Die annähernd vorhandene Größe des negativen Feldes in beispielhaften Verbindungen ist in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. In allen Fällen weist die Probe der jeweils angegebenen Materialzusammensetzung, wenn sie auf die jeweils angegebene Temperatur T₈ abgekühlt und einem äußeren Magnetfeld H_e der jeweils angegebenen Stärke ausgesetzt wird, den Die Supraleiter mit niedriger Feldstärke können in

as üblichen Einrichtungen gemessen werden. Bei den Materialien mit extrem hoher Feldstärke können die negativen Feldwerte durch Verwendung magnetischer Kernresonanzstudien und paramagnetischer Elektronenresonanz-Messungen erhalten werden (s. Physical Review Letters, 5, S. 221 [I960]).

Alle erwähnten speziellen Materialien sind dafür bekannt, bei kryogenen Temperaturen einen endlichen Widerstand bei der Feldstärke Null zu besitzen. Dieses ist für ferromagnetische Materialien charakteristisch.

Verschiedene Vorrichtungen können unter Verwendung der supraleitenden Materialien gemäß der Erfindung aufgebaut werden. Eine einfache Anordnung hierfür ist in Fig. 2 gezeigt. Die Figur zeigt zwei Spulen 20 und 21 und hiermit verbundene Stromquellen 22 und 23. Die äußere Spule 21 besteht aus einem üblichen supraleitenden Material, z. B. Nb₃Sn. Diese Spule ist bei Erregung in der Lage, ein Magnetfeld der Größenordnung von 100 Kilogauß oder darüber zu erzeugen (die kritische Grenzfeldstärke liegt oberhalb 300 Kilogauß).

Die innere Spule 20 besteht aus einem Supraleitermaterial gemäß der Erfindung, d. h., es weist ein negatives Feld auf und erfüllt die Gleichung (2). Die Spule 20 wird bei fehlendem Feld der Spule 21 nicht supraleitend. Das von der Spule 21 erzeugte Feld kann daher als Vorspannfeld betrachtet werden und wird in der Größe so gewählt, daß das negative Feld im Material der Spule 20 überwunden wird. Unter der Annahme, daß die Spule 21 ein Feld von 50 Kilogauß erzeugt, kann ein geeignetes Material für die Spule 20 aus der vorstehenden Tabelle ausgewählt werden. Zum Beispiel wird in diesem Feld entweder TmOs₂ oder YbOs₂ supraleitend.

Die Quelle 22 kann dann zur weiteren Erhöhung der Feldstärke eingeschaltet werden. Beide Spulen werden bei einer Temperatur gehalten, die kleiner als 6° Kelvin ist. Vorrichtungen mit diesem grundsätzlichen Aufbau sind zum Erreichen hoher Feldstärken, z. B. bei magnetischen oder elektrischen Speicherelementen, bei feldbetätigten Schaltern usw. brauchbar.

In Fig. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die in erster Linie zum Erzeugen hoher Feldstärken gedacht ist. Hier sind vier koaxiale Spulen 30, 31, 32 und 33 so

angeordnet, daß jede durch eine »Vorspannungs«- Spule beeinflußt wird. Die Spulen erzeugen aufeinanderfolgend höhere Feldwerte in Stufen, wobei jede Stufe etwa bei dem negativen Feldwert beginnt und bis zur kritischen Feldstärke zunimmt. Es ist wünschenswert, daß jede Spule einer unabhängigen Stromquelle 34, 35, 36 und 37 zugeordnet wird, obgleich auch eine einzige Stromquelle in manchen Fällen ausreichend ist. Jede der inneren Spule besteht aus einem Material, das in der Lage ist, unter dem Einfluß des Feldes der vorausgehenden Spule supraleitend zu werden und ein Feld höherer Feldstärke zu erzeugen. Wieder besteht die erste Stufe, die Spule 30, aus einem üblichen supraleitenden Material. Nimmt man an, daß die erste Spule 30 bei Zuführen der notwendigen Stromstärke aus der Stromquelle 34 ein Feld von 100 Kilogauß erzeugt, dann können die Materialien für die restlichen Spulen 31 bis 33 aus der Tabelle ausgewählt werden. Zweckmäßigerweise besteht dann die Spule 31 aus TmOs₂ und erzeugt ein Feld von 150 Kilogauß. Die Spule 32 kann dann aus ErOs₂ bestehen und erzeugt ein Feld von 200 Kilogauß. Schließlich besteht dann die Spule 34 aus HoOs₂, wodurch eine Endfeldstärke der gesamten Vorrichtung von 250 Kilogauß erreicht wird.

Die jeder Spule zugeordneten Stromquellen werden so eingestellt, daß sie die richtigen Feldwerte, wie sie schematisch in der F i g. 4 durch H_n, H_a%, Ha₃ dargestellt sind, zusammen mit dem äußeren Maximalfeld, das in der Figur mit H_apP bezeichnet ist, ergeben. Jede Spule muß auf einer zu Supraleitfähigkeit führenden Temperatur gehalten werden, die der Einfachheit halber für alle Spulen gleich gewählt wird. Dieser Temperaturwert ist in der F i g. 4 mit T₀ bezeichnet.

Die speziellen Werte für H₂ der F i g. 1, die überschritten werden müssen, um eine Supraleitfähigkeit im hierfür erfindungsgemäß verwendeten Material zu erreichen, können aus der Clogston-Grenzbedingung gemäß Gleichung (1) annähernd vorausgesagt werden, und zwar deshalb, weil die Kurve 11 annähernd symmetrisch zum Maximum ist und H₀' gleich H₃ + Clogston-Grenzwert ist. Demgemäß muß in Vorrichtungen gemäß der Erfindung das äußere Vorspannungsfeld für ein gegebenes erfindungsgemäßes Supraleitfähigkeitmaterial den Wert He überschreiten, wobei

=Hu- 18,400 T_c

ist. Hierin bedeutet H_n den negativen Feldwert und T_c die Sprungtemperatur des Materials.

Obgleich F i g. 2 und 3 vermuten lassen, daß das Vorspannungsfeld dauernd vorhanden sein muß, ist dieses für den Dauerbetrieb einer Spule aus dem erfindungsgemäßen Supraleitmaterial nicht notwendig. Das heißt, die inneren Spulen können in einen sich selbst erhaltenden Supraleitungszustand gebracht werden, wenn die Stromdichte, die für die Vorspannungsfeldstärke erforderlich ist, erreicht wird. Die Größe des Feldes ergibt sich aus dem Biot-Savartschen Gesetz.

Die beschriebenen Anordnungen der speziell ausgewählten Materialien sind nur beispielhaft. Verschiedene andere Vorrichtungen, bei denen die erfindungsgemäßen Supraleitermaterialien verwendet werden, können gleichfalls konstruiert werden. So sind beispielsweise Schaltvorrichtungen, die dem Kryotron

analog sind, besonders vorteilhaft. In derartigen Vorrichtungen und in Speicherelementen muß das supraleitende Bauteil nicht notwendigerweise eine Spule sein, sondern kann auch lediglich ein gerader Leiter sein. Auch können Materialien, die hierin nicht im einzelnen aufgezählt worden sind, die aber die vorgeschriebenen Eigenschaften erfüllen, bei derartigen Konstruktionen brauchbar sein. Es sei erwähnt, daß jeder gewünschte negative Feldwert durch geeignete Auswahl des Mate-

rials erhalten werden kann. So weisen Legierungen der Verbindungen nach der obigen Tabelle untereinander sowie mit anderen Seltenen Erden enthaltenden Verbindungen verschiedene negative Felder auf. Auch ergibt eine Mischung aus üblichen supraleitenden Mate-

rialien mit Seltenen Erden und deren Verbindungen eine weitere Möglichkeit zur Veränderung des negativen Feldwertes.

Claims (6)

Patentansprüche: 20

1. Supraleiter, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Material mit einer spezifischen Elektronenwärme von

Cv < 3 · ΙΟ-⁴ · Tcal/Mol Grad

— wenn Γ die Temperatur gemessen in Grad Kelvin ist — besteht, das bei Anliegen eines äußeren Magnetfeldes

He> H_n- 18 400 T₀

— wenn H_n der Wert des negativen Feldes des Materials ist — gleichzeitig auf eine Sprungtemperatur Tc oder darunter abgekühlt ist.

2. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Element der Gruppe, bestehend aus den Elementen der Ordnungszahl 57 bis 71 und 89 bis 92, ist.

3. Supraleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Verbindung AB₂ in kubischer Laves-Phase ist, worin A ein Element der Gruppe, bestehend aus den Elementen der Ordnungszahl 57 bis 71 und 89 bis 92 oder Mischungen davon, und B ein Element der Gruppe, bestehend aus Osmium, Iridium, Aluminium und Ruthenium oder Mischungen davon, bedeuten.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material in einer Spule (31) angeordnet ist, die die äußerste einer Mehrzahl von Spulen (31,32,33) darstellt, daß jede der Spulen aus einem derartigen Material besteht, daß die äußerste Spule (31) einem Magnetfeld der Stärke

He > H_n - 18 400 Tc

unterworfen ist und daß jede Spule an eine Stromquelle (35, 36, 37) zum Erzeugen eines Magnetfelds angeschlossen ist, das den Wert des negativen Felds der nächstfolgenden inneren Spule überschreitet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquellen voneinander getrennt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen in Serie geschaltet an einer einzigen Stromquelle liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen