DE3851809T2 - Superconductor with high critical current. - Google Patents

Superconductor with high critical current.

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Die vorliegende Erfindung betrifft supraleitende Materialien, die hohe kritische Ströme aufweisen, und im besonderen verbesserte Supraleitermaterialien und -techniken zum Erzielen hochkritischer Ströme in Supraleitern Typ II.The present invention relates to superconducting materials that exhibit high critical currents, and in particular to improved superconducting materials and techniques for achieving high critical currents in Type II superconductors.

Supraleitfähigkeit ist ein Phänomen, das bei vielen Materialien auftritt und zum ersten Mal 1911 beobachtet wurde. Im allgemeinen ist es gekennzeichnet durch das Verschwinden des elektrischen Widerstands in einem Material bei einer wohldefinierten Temperatur sowie auch durch die Fähigkeit eines Materials, im Supraleitfähigkeitszustand ein magnetisches Feld auszustoßen. Superleitfähigkeit kommt in vielen Materialien vor, einschließlich etwa eines Viertels der Elemente des Periodensystems, und in über 1000 Legierungen und sonstigen Mehrkomponentensystemen. Im allgemeinen wird angenommen, daß die Supraleitfähigkeit eine Eigenschaft des metallischen Zustands der Materie ist, da alle bekannten Supraleiter unter Bedingungen, die ihre Supraleitfähigkeit bewirken, metallisch sind. Einige im Normalzustand nichtmetallische Stoffe z. B. werden supraleitend unter sehr hohen Drücken, unter denen sie der Druck in Metalle umwandelt, bevor sie ihr Supraleitungsverhalten zeigen.Superconductivity is a phenomenon that occurs in many materials and was first observed in 1911. In general, it is characterized by the disappearance of electrical resistance in a material at a well-defined temperature, as well as by the ability of a material to emit a magnetic field in a superconducting state. Superconductivity occurs in many materials, including about a quarter of the elements in the periodic table, and in over 1000 alloys and other multicomponent systems. In general, superconductivity is believed to be a property of the metallic state of matter, since all known superconductors are metallic under conditions that make them superconducting. For example, some normally non-metallic materials become superconducting under very high pressures, where the pressure transforms them into metals before they exhibit their superconducting behavior.

Wie schon gesagt, kennt man viele Typen supraleitender Materialien. Die Vorteile verschiedener Materialien im Vergleich zueinander hängen oft von ihrer Supraleitungs-Übergangstemperatur Tc ab, die auch oft als kritische Temperatur bezeichnet wird. Das ist die Temperatur, oberhalb der es keine Supraleitfähigkeit gibt. Bis vor kurzem war das Material, das die höchsten Supraleitungs-Übergangstemperaturen aufweist, Nb&sub3;Ge, das eine Tc von etwa 23 K bei Normalluftdruck aufweist.As mentioned above, many types of superconducting materials are known. The advantages of different materials compared to each other often depend on their superconducting transition temperature Tc, which is also often called the critical temperature. This is the temperature above which there is no superconductivity. Until recently, the material that had the highest superconducting transition temperatures was Nb3Ge, which had a Tc of about 23 K at normal atmospheric pressure.

Vor kurzem hat die bemerkenswerte Entdeckung von J.G. Bednorz und K.A. Müller, berichtet in Z. Phys. B. - Condensed Matter 64 (1986), S. 189, und Europhysics Letters 3, 379 (1987) die Richtung und Bedeutung dieser Technologie völlig verändert. Die Entdeckung durch Bednorz und Müller war, daß bestimmte Metalloxide Übergangstemperaturen zur Supraleitfähigkeit aufweisen können, die beträchtlich höher als 23 K liegen. Diese Materialien werden häufig als "Hoch-Tc-Supraleiter" bezeichnet.Recently, the remarkable discovery of J.G. Bednorz and K.A. Müller, reported in Z. Phys. B. - Condensed Matter 64 (1986), p. 189, and Europhysics Letters 3, 379 (1987), has completely changed the direction and importance of this technology. The discovery by Bednorz and Müller was that certain metal oxides can have transition temperatures to superconductivity considerably higher than 23 K. These materials are often referred to as "high-Tc superconductors".

Seit diesen ersten Entdeckungen von Bednorz und Müller wurden weltweit viel in Forschung und Entwicklung investiert, um diese supraleitfähigen Materialtypen genauer zu untersuchen, mit dem Ziel, den Temperaturbereich, über den sie supraleitend sind, zu erweitern, sowie auch um die grundlegenden Mechanismen für die Supraleitfähigkeit bei dieser Materialklasse zu verstehen.Since these first discoveries by Bednorz and Müller, a great deal of research and development has been invested worldwide to investigate these types of superconducting materials in more detail, with the aim of extending the temperature range over which they are superconducting, as well as to understand the basic mechanisms for superconductivity in this class of materials.

Zuerst wiesen Bednorz und Müller das Supraleitverhalten in Kupferoxidgemischen nach, einschließlich typisch seltener Erden und/oder seltenerdenartiger Elemente und Erdalkalielemente, z. B. La, Ba, Sr usw., mit einer Perowskit-ähnlichen Struktur. Nach den ersten Berichten von Bednorz und Müller zeigten andere Forscher, daß die Anwendung von Druck die Übergangstemperatur erhöhen kann und daß zusätzlich in den Y- Ba-Cu-O Systemen Übergangstemperaturen von bis zu 100 K erzielt werden konnten, (vgl. z. B. M.K. Wu et al. Phys. Rev. Lett., 58 (1987) 908). Viele Veröffentlichungen sind in technischen Zeitschriften in der ganzen Welt erschienen und haben verschiedene Aspekte der Supraleitfähigkeit in diesen Materialien angesprochen.First, Bednorz and Müller demonstrated superconductivity in copper oxide mixtures, including typical rare earth and/or rare earth-like elements and alkaline earth elements, e.g. La, Ba, Sr, etc., with a perovskite-like structure. After the first reports by Bednorz and Müller, other researchers showed that the application of pressure can increase the transition temperature and that, in addition, transition temperatures of up to 100 K could be achieved in the Y-Ba-Cu-O systems (see, e.g., M.K. Wu et al. Phys. Rev. Lett., 58 (1987) 908). Many papers have appeared in technical journals all over the world, addressing various aspects of superconductivity in these materials.

Wie in einem Artikel von P. Chaudhari et al., erschienen in Physical Review Letters 58, S. 2684, Juni 1987, unter dem Titel "Critical Current Measurements in Epitaxial Films of YBa&sub2;Cu&sub3;O7-x Compounds" ausgeführt wurde, ist einer der Nachteile, die bei dieser Klasse supraleitender Materialien oft angeführt wird, ihr kleiner kritischer Strom. Vor der Arbeit von P. Chaudhari et al., über die in diesem Artikel in Physical Review Letters berichtet wird, war der höchste gefundene Wert des kritischen Stroms in dieser neuen Materialklasse sehr klein gegenüber dem in den vertrauteren metallischen Legierungen. Der höchste bis dahin veröffentlichte Wert bei 77 K war etwa 10³ A/cm². Da der Bereich der potentiellen Nutzung dieser Materialien vom kritischen Strom abhängt, blieb dieses Problem vor dem obenerwähnten Beitrag von Chaudhari et al. das wesentliche Hindernis für den Einsatz dieser Materialien. In ihrem Artikel in Physical Review Letters beschrieben sie epitaxiale supraleitende Folien aus diesen Materialien, in denen der kritische Strom bei 77 K über 10&sup5; A/cm² betrug. Somit zeigte ihre Arbeit zum ersten Mal, daß diese Materialien kritische Ströme zeigen konnten, die hoch genug waren, daß sie für viele Anwendungsgebiete wertvoll wurden.As pointed out in an article by P. Chaudhari et al., published in Physical Review Letters 58, p. 2684, June 1987, entitled "Critical Current Measurements in Epitaxial Films of YBa₂Cu₃O7-x Compounds", one of the disadvantages is often cited for this class of superconducting materials is their small critical current. Prior to the work of P. Chaudhari et al., reported in this Physical Review Letters article, the highest critical current value found in this new class of materials was very small compared to that in the more familiar metallic alloys. The highest value reported to date at 77 K was about 10³ A/cm². Since the range of potential use of these materials depends on the critical current, this problem remained the major obstacle to the use of these materials prior to the above-mentioned contribution of Chaudhari et al. In their Physical Review Letters article, they described epitaxial superconducting films made from these materials in which the critical current at 77 K was above 10⁵ A/cm². Thus, their work showed for the first time that these materials could exhibit critical currents high enough to make them valuable for many applications.

Bekanntlich gehören die Mitglieder dieser Klasse supraleitender Metalloxide zu den "Supraleitern Typ II", in denen das Auftreten eines Supraleitungsstroms einen eingeschlossenen Magnetfluß und Kreisströme im Supraleiter erzeugt, die zum Auftreten von Magnetwirbeln führen. Man weiß, daß diese Wirbel den Durchfluß des Supraleiterstroms durch einen Supraleiter Typ II behindern, weil sie den stärksten Supraleiterstroms, genannt der kritische Strom, einschränken, der durch das Material geführt werden kann, ohne daß es seinen supraleitenden Zustand verliert.It is known that the members of this class of superconducting metal oxides belong to the "Type II superconductors" in which the occurrence of a superconducting current creates a trapped magnetic flux and circulating currents in the superconductor, which lead to the occurrence of magnetic vortices. These vortices are known to hinder the flow of the superconducting current through a Type II superconductor because they limit the strongest superconducting current, called the critical current, that can be passed through the material without it losing its superconducting state.

Um diesen kritischen Strom zu maximieren, müssen diese Wirbel örtlich fixiert werden, anstatt daß sie sich im Supraleiter frei bewegen können. Das kann geschehen durch Einführen von Partikeln und Defekten in den Supraleiter, die die Wirbel anziehen und an bestimmten Stellen fixieren. Zum Beispiel können solche Defekte strukturelle Anordnungen beinhalten, wie z. B. Verschiebungen oder Fehlstellen, die dahin tendieren, die Wirbel zu fixieren. Auch können Verunreinigungsatome in den Supraleiter eingeführt werden, um örtliche Stellen zu schaffen, wo die Supraleitfähigkeit verloren geht oder wenigstens über einen kleineren Temperaturbereich besteht. Solche Verunreinigungsstellen können, während sie die Temperaturabhängigkeit der Supraleitfähigkeit beeinflussen, die Wirbel fixieren, um höhere kritische Ströme zuzulassen. Wie auf dem Stand der Technik bekannt, muß die Verwendung dieser Verunreinigungen und die Auswirkung auf die Supraleitfähigkeitseigenschaften des Materials gegen die etwaige Steigerung des Wertes des kritischen Stroms durch das supraleitfähige Material abgewogen werden. Solche Konstruktionsüberlegungen wurden in der Vergangenheit ausgenutzt, um z. B. Hochfeld-Supraleitermagnete zu bauen. In das Magnetdrahtmaterial, wie z. B. NbTe, werden Verunreinigungen eingesetzt, um Defekte im supraleitfähigen Material zu schaffen, die die Wirbel fixieren, obwohl klar ist, daß diese Verunreinigungen auch dazu tendieren, die Supraleitfähigkeit zu zerstören. Da diese Materialien bei Temperaturen des flüssigen Heliums arbeiten und die kritischen Temperaturen dieser Legierungen nahe bei etwa 20 K liegen, läßt sich der Verlust von etwas Supraleitfähigkeit tolerieren, wenn die in den Drähten laufenden kritischen Ströme erhöht werden.To maximize this critical current, these vortices must be fixed in place rather than being allowed to move freely in the superconductor. This can be done by introducing particles and defects into the superconductor that attract the vortices and fix them in certain places. For example, such defects can include structural arrangements such as displacements or defects that tend to to fix the vortices. Also, impurity atoms can be introduced into the superconductor to create localized sites where superconductivity is lost or at least persists over a smaller temperature range. Such impurity sites, while affecting the temperature dependence of superconductivity, can fix the vortices to allow higher critical currents. As is known in the art, the use of these impurities and the effect on the superconducting properties of the material must be balanced against any increase in the value of the critical current through the superconducting material. Such design considerations have been exploited in the past to build, for example, high-field superconducting magnets. Impurities are introduced into the magnet wire material, such as NbTe, to create defects in the superconducting material that fix the vortices, although it is clear that these impurities also tend to destroy the superconductivity. Since these materials operate at liquid helium temperatures and the critical temperatures of these alloys are close to about 20 K, the loss of some superconductivity can be tolerated if the critical currents flowing in the wires are increased.

In der Praxis der vorliegenden Erfindung wurde eine verbesserte Technik entwickelt, um die Magnetwirbel zu fixieren, die die kritischen Ströme in dieser Supraleiterklasse begrenzen. Ferner kann die Erfindung nicht nur auf Supraleiter mit hochkritischer Temperatur des Typs, wie sie zum ersten Mal von Bednorz und Müller beschrieben wurden, angewandt werden, sondern auch auf Supraleiter vom Typ II. Insbesondere kann die Lehre aus der Erfindung auf jeden Supraleiter angewandt werden, in dem kritische Ströme durch Wirbel eingeschränkt werden, wobei der Supraleiter durch eine Kohärenzlänge (d.i. die Entfernung im Supraleiter, über die sich die Supraleitfähigkeit erstreckt) charakterisiert wird, die hinreichend kurz ist. In der erfindungsgemäßen Praxis muß die Kohärenzlänge im Supraleiter in der Größenordnung atomarer Ausdehnungen des Supraleiters liegen.In the practice of the present invention, an improved technique has been developed to fix the magnetic vortices which limit the critical currents in this class of superconductors. Furthermore, the invention can be applied not only to high critical temperature superconductors of the type first described by Bednorz and Müller, but also to Type II superconductors. In particular, the teachings of the invention can be applied to any superconductor in which critical currents are restricted by vortices, the superconductor being characterized by a coherence length (i.e., the distance in the superconductor over which superconductivity extends) which is sufficiently short. In the practice of the invention, the Coherence length in the superconductor is on the order of atomic dimensions of the superconductor.

Allgemein gesagt, die Technik und die Materialien der vorliegenden Erfindung nutzen die magnetische Fixierung der Wirbel in diesen Supraleitern aus. Der direkteste Weg zum Erreichen der magnetischen Fixierung ist das Einführen von Atomen, die magnetische Momente aufweisen, die mit den magnetischen Feldern der Wirbel in Wechselwirkung treten, in den Supraleiter, um ein Energieminimum für die Wirbel zu schaffen und somit die Wirbel an der Stelle zu fixieren, die von den in den Supraleiter eingeführten Atomen besetzt sind. Als Beispiel für Atome, die zum Bewirken des Fixierens eingeführt werden können, sind magnetische Seltenerdenatome zur Anwendung in Metalloxid-Supraleitern des zuerst von Bednorz und Müller beschriebenen Metalloxid-Supraleitertyps besonders geeignet.Generally speaking, the technique and materials of the present invention exploit the magnetic fixation of the vortices in these superconductors. The most direct way to achieve magnetic fixation is to introduce atoms into the superconductor that have magnetic moments that interact with the magnetic fields of the vortices to create an energy minimum for the vortices and thus fix the vortices at the location occupied by the atoms introduced into the superconductor. As an example of atoms that can be introduced to effect fixation, magnetic rare earth atoms are particularly suitable for use in metal oxide superconductors of the type first described by Bednorz and Müller.

Es ist bekannt, daß magnetische Elemente in hoch-Tc-supraleitende Oxide eingeführt wurden. Beispielhaft wird auf P.H. Hor et al., Phys. Rev. Lett. 58, S. 1891 (1987) verwiesen, die über den Supraleiter GdBa&sub2;Gu&sub3;Ox berichteten. In diesem Material ist jedoch der kritische Strom Ic in etwa der gleiche wie der kritische Strom im Supraleiter YBa&sub2;Cu&sub3;Ox. Somit wird die Anwesenheit der magnetischen Gd-Atome an Stelle aller Y-Atome kein wesentliches Fixieren der Magnetflußwirbel bewirken und erhöht daher den kritischen Strom nicht.It is known that magnetic elements have been introduced into high-Tc superconducting oxides. For example, see P.H. Hor et al., Phys. Rev. Lett. 58, p. 1891 (1987), who reported on the superconductor GdBa₂Gu₃Ox. In this material, however, the critical current Ic is approximately the same as the critical current in the superconductor YBa₂Cu₃Ox. Thus, the presence of the magnetic Gd atoms in place of all Y atoms will not cause any significant fixation of the magnetic flux vortices and therefore does not increase the critical current.

Der Artikel von P.V.P.S.S. Sastry et al., "Enhancement of transport critical current density by Gd substitution in YBa&sub2;Cu&sub3;O&sub7;", Appl. Phys. Lett. 52, No. 17, S. 1447/8 (1988) diskutiert den Ersatz des gesamten Y durch Gd mit einer Stromdichte Jc von nur 90 A/cm², und eine teilweise Substitution in Mengen von weniger als 0,5%, was zu einer Erhöhung der Stromdichte Jc auf gerade 400 A/cm² führte. Jedoch wird von keiner Bemühung berichtet, den Gd-Ersatz so zu optimieren, daß man auf Jc-Werte kommt, die wirklich wichtig wären, und zwar deswegen, weil die Rolle des Gadoliniums nicht als Mittel zum Fixieren der Flußwirbel begriffen, sondern es als "Spülmittel der Isolierphasen" interpretiert wurde.The article by PVPSS Sastry et al., "Enhancement of transport critical current density by Gd substitution in YBa₂Cu₃O₇", Appl. Phys. Lett. 52, No. 17, pp. 1447/8 (1988) discusses the replacement of all Y by Gd with a current density Jc of only 90 A/cm², and a partial substitution in amounts of less than 0.5%, which resulted in an increase in the current density Jc to just 400 A/cm². However, no effort is reported to optimize the Gd replacement so that that one arrives at Jc values that would be really important, because the role of gadolinium was not understood as a means of fixing the flow vortices, but it was interpreted as a "rinsing agent of the insulating phases".

Heute ist man der Ansicht, daß niemand das magnetische Fixieren bei diesen hoch-Tc-supraleitenden Oxiden je nachgewiesen hat, noch hat jemand ein magnetisches Fixieren bei anderen Supraleitern Typ II festgestellt. Im Laufe der Arbeit des Antragstellers wurde entdeckt, wie magnetisches Fixieren ausgenutzt werden kann, um hohe kritische Ströme in diesen Hoch- Tc-Metalloxid-Supraleitern zu erreichen, wie auch bei bisher bekannten nicht-oxidischen Supraleitern vom Typ II, wenn diese nicht-oxidischen Supraleiter hinreichend kleine Kohärenzlängen aufweisen.Today, it is believed that no one has ever demonstrated magnetic pinning in these high-Tc superconducting oxides, nor has anyone observed magnetic pinning in other Type II superconductors. In the course of the applicant's work, it was discovered how magnetic pinning can be exploited to achieve high critical currents in these high-Tc metal oxide superconductors, as well as in previously known Type II non-oxide superconductors, if these non-oxide superconductors have sufficiently small coherence lengths.

Dementsprechend ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, supraleitendes Material bereitzustellen, in dem magnetisches Fixieren angewandt wird, um den kritischen Strom in diesen Materialien zu erhöhen.Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide superconducting material in which magnetic pinning is applied to increase the critical current in these materials.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung verbesserter Supraleiter Typ II, die kleine Kohärenzlängen aufweisen.Another object of the present invention is to provide improved Type II superconductors having small coherence lengths.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist das Vorsehen einer Technik zum Erhöhen des kritischen Stroms, der in allen drei Supraleitern Typ II zur Verfügung steht.Another object of the invention is to provide a technique for increasing the critical current available in all three Type II superconductors.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Zusammensetzung von Hoch-Tc-Metalloxid-Supraleitern so zu verändern, daß sich ihre Stromleitfähigkeit erhöht, ohne den Temperaturbereich, in dem sie supraleitend sind, zu verringern.Another object of the present invention is to change the composition of high-Tc metal oxide superconductors so as to increase their electrical conductivity without reducing the temperature range in which they are superconducting.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Stromleitfähigkeit von Metalloxid-Supraleitern der Art, die gekennzeichnet ist durch kritische Temperaturen über 23 K, und insbesondere die Bereitstellung solcher Materialien mit kritischen Strömen über 10&sup4; A/cm² bei 77 K.A further object of the invention is to increase the electrical conductivity of metal oxide superconductors of the type characterized by critical temperatures above 23 K, and in particular to provide such materials with critical currents above 10⁴ A/cm² at 77 K.

Die Erfindung betrifft im weiteren Sinn supraleitende Materialien mit erhöhten kritischen Stromwerten, bei denen die Ströme hoch sind, weil magnetische Feldwirbel in den Supraleitern durch eine magnetische Fixiertechnik effektiv fixiert werden. Das wird erreicht durch den Einbau von Atomen in das supraleitende Material, wobei den Atomen magnetische Momente zugeordnet sind, die dazu dienen, die magnetischen Flußwirbel im Supraleiter zu fixieren. Die Erfindung geht jedoch weiter als nur zum Einbau von Atomen mit zugeordneten magnetischen Momenten; statt dessen ist die Erfindung gerichtet auf die besondere Anwendung dieser Atome, um das Fixieren vieler Magnetflußwirbel zu erreichen. Ferner, und von kritischer Bedeutung ist die Tatsache, daß die Atome, die das magnetische Fixieren bewirken, im Supraleiter in einer zusammensetzungsmäßigen Zufallsverteilung vorkommen müssen.The invention more broadly relates to superconducting materials with increased critical current values, where the currents are high because magnetic field vortices in the superconductors are effectively fixed by a magnetic fixing technique. This is achieved by incorporating atoms into the superconducting material, the atoms having associated magnetic moments which serve to fix the magnetic flux vortices in the superconductor. However, the invention goes further than just incorporating atoms with associated magnetic moments; instead, the invention is directed to the specific application of these atoms to achieve the fixing of many magnetic flux vortices. Further, and of critical importance, is the fact that the atoms which effect the magnetic fixing must occur in a compositionally random distribution in the superconductor.

Wenn die magnetischen Atome in der Zusammensetzungsgemäßen Ordnung im Supraleiter vorkommen, werden die Flußwirbel nicht so fixiert, daß sie hohe kritische Ströme abgeben. Das wird noch deutlicher in der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, aber als Beispiel genügt es, festzustellen, daß eine optimale Menge Fixieratome bei etwa 50% Ersatz für die Seltenerde- oder fast Seltenerdeelemente in den wohlbekannten Hoch-Tc-Metalloxid-Supraleitern sitzt. Wenn daher alle Y-Atome der Verbindung YBa&sub2;Cu&sub3;Ox vollständig durch Atome mit einem magnetischen Moment ersetzt werden, wird es zu keinem wesentlichen Wirbel fixieren kommen und der kritische Strom wird nicht wesentlich erhöht. In dieser letzteren Situation werden die magnetischen Atome im Supraleitergitter angeordnet, so daß es vorhersehbar wird welches Atom an allen Y-Stellen im Gitter ist, und daher gibt es keine Zufallsverteilung bei der Zusammensetzung.If the magnetic atoms are present in compositional order in the superconductor, the flux vortices will not be fixed so as to give high critical currents. This will become clearer in the detailed description of the preferred embodiments, but as an example it is sufficient to note that an optimum amount of fixing atoms is at about 50% replacement for the rare earth or near rare earth elements in the well-known high-Tc metal oxide superconductors. Therefore, if all the Y atoms of the compound YBa₂Cu₃Ox are completely replaced by atoms with a magnetic moment, no significant vortex fixing will occur and the critical current will not be significantly increased. In this latter situation, the magnetic atoms are arranged in the superconductor lattice so that it becomes predictable which atom at all Y-sites in the lattice, and therefore there is no random distribution in the composition.

Die Atome, die zum Bewirken der magnetischen Fixierung der Flußwirbel in die supraleitende Zusammensetzung aufgenommen werden können, sind durchwegs Atome, mit denen ein magnetisches Moment assoziiert ist. Es wurde jedoch gefunden, daß Atome mit einem großen magnetischen Moment im allgemeinen zu Supraleitern mit erhöhtem kritischen Flußverhalten führen, auch wenn die Temperatur im Material erhöht wird. Im Falle der Hoch-Tc-Metalloxid-Supraleiter dieser Art ist gewöhnlich eine seltene Erde oder ein seltenerde-ähnliches Element, ein Erdalkalielement, Kupfer und Sauerstoff darin enthalten; geeignete Ersatzatome liefern ein magnetisches Moment für das Fixieren des Flusses und sind magnetische Seltenerdeelemente wie Yb, Er, Gd, Dy, Tb etc. Weitere magnetische Atome sind Cu²&spplus; und Ti²&spplus;, sowie Fe, Co und Ni, obwohl diese letzteren drei Elemente weniger günstig sind, weil sie eher dazu neigen, die Supraleitfähigkeit in diesen Hoch-Tc-Metalloxiden zu behindern.The atoms that can be included in the superconducting composition to effect magnetic fixation of the flux vortices are all atoms with which a magnetic moment is associated. However, it has been found that atoms with a large magnetic moment generally lead to superconductors with increased critical flux behavior, even when the temperature in the material is increased. In the case of high-Tc metal oxide superconductors of this type, a rare earth or rare earth-like element, an alkaline earth element, copper and oxygen are usually included; suitable replacement atoms provide a magnetic moment for fixing the flux and are magnetic rare earth elements such as Yb, Er, Gd, Dy, Tb etc. Other magnetic atoms are Cu²&spplus; and Ti²⁺, as well as Fe, Co and Ni, although these latter three elements are less favorable because they tend to hinder superconductivity in these high-Tc metal oxides.

Für die Hoch-Tc-Metalloxid-Supraleiter ist die Stelle, an der das Atom mit dem magnetischen Moment sitzt, nicht kritisch, solange die supraleitenden Eigenschaften für die Anwendung, für die der Supraleiter eingesetzt werden soll, nicht nachteilig beeinflußt werden. Also können diese magnetischen Atome auf den Stellen der seltenen Erden oder Alkalierden sowie auch auf einigen der Kupferstellen sitzen, so lange keine große Anzahl der Kupferstellen, die für die Supraleitfähigkeit verantwortlich sind, nachteilig betroffen ist. Ausdrücke für die Anzahl der magnetischen Elemente, die erforderlich sind, eine wesentliche Flußfixierungswirkung auszuüben und um eine geeignete Zufallsverteilung dieser magnetischen Atome in der Zusammensetzung zu gewährleisten, werden noch gebracht.For the high-Tc metal oxide superconductors, the location of the atom with the magnetic moment is not critical, as long as the superconducting properties are not adversely affected for the application for which the superconductor is to be used. Thus, these magnetic atoms can be located on the rare earth or alkaline earth sites, as well as on some of the copper sites, as long as a large number of the copper sites responsible for the superconductivity are not adversely affected. Expressions for the number of magnetic elements required to exert a significant flux fixing effect and to ensure a suitable random distribution of these magnetic atoms in the composition will be given.

Obwohl die Erfindung zur Anwendung in Hoch-Tc-Metalloxid- Supraleitern besonders geeignet ist, läßt sie sich auch auf jeden Supraleiter Typ II anwenden, der eine hinreichend kleine Kohärenzlänge aufweist. In solchen Materialien werden in den Wirbeln breite, örtliche Magnetfelder erzeugt, und die vorliegende Erfindung kann dazu benutzt werden, diese Wirbel zu fixieren. Daher läßt sich diese Vorschrift auf Supraleiter Typ II anwenden, die Kohärenzlängen in der Größenordnung der Einheitszelle im Supraleiter aufweisen, die in den meisten Superleitern etwa 0,3 bis 3 nm beträgt.Although the invention is particularly suitable for use in high-Tc metal oxide superconductors, it can also be applied to any Type II superconductor that has a sufficiently small coherence length. In such materials, broad, localized magnetic fields are generated in the vortices and the present invention can be used to fix these vortices. Therefore, this prescription can be applied to Type II superconductors that have coherence lengths on the order of the unit cell in the superconductor, which in most superconductors is about 0.3 to 3 nm.

Einzelheiten der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden ersichtlich aus den nachfolgenden genaueren Beschreibungen anhand der begleitenden Zeichnung, die ein supraleitfähiges Material illustriert, das ein Grundmaterial oder ein Folienmaterial sein kann, mit Mitteln zum Erzeugen eines Supraleitungsstroms in demselben, und das Magnetflußwirbel aufweist, die durch die durch Zufallsverteilung in der Zusammensetzung der magnetischen Atome im Supraleiter gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung fixiert werden.Details of embodiments of the invention will become apparent from the following more detailed descriptions with reference to the accompanying drawings which illustrate a superconductive material, which may be a bulk material or a foil material, having means for generating a superconductive current therein and having magnetic flux vortices fixed by random distribution in the composition of the magnetic atoms in the superconductor in accordance with the principles of the present invention.

Die Erfindung benutzt das magnetische Fixieren der Flußwirbel in Supraleitern, um die kritischen Stromfähigkeiten der Supraleiter zu erhöhen. In einer besonderen Ausführungsform kann sie auf Hoch-Tc-Oxid-Supraleiter angewandt werden. In diesen Materialien können bekanntlich Atome mit einem magnetischen Moment vorhanden sein, ohne die Supraleiteigenschaften des Materials nachteilig zu beeinflussen. Im einzelnen können diese Atome an Stellen sitzen, die nicht für die Supraleiteigenschaften des Materials wesentlich sind und daher die Supraleitfähigkeit nicht zerstören. In der Praxis der vorliegenden Erfindung sind magnetische Atome in diesen Hoch-Tc-Supraleitermaterialien so eingeschlossen, daß eine wesentliche Anzahl Magnetflußwirbel fixiert wird, so daß sich der kritische Strom des Materials erhöht. Wie man noch sehen wird, gibt es gewisse kritische Erwägungen hinsichtlich des Einschlusses dieser magnetischen Atome; z. B., wenn sie nicht in einer hinreichenden Menge vorliegen, oder in einer so großen Menge vorliegen, daß 100% der Fremdatome im supraleitenden Material ersetzt werden, läßt sich eine geeignete Flußfixierung für hohe kritische Ströme nicht erreichen. Ferner müssen die Stellen, an denen die magnetischen Atome sitzen, in der Zusammensetzung in Zufallsverteilung vorliegen, d. h., es darf nicht vorhersagbar sein, ob ein magnetisches Atom an einer bestimmten Stelle sitzt. Somit gibt es kritische Bedingungen, die für die ausreichende Fixierung der Flußwirbel zwecks Erhöhung des kritischen Stroms eingehalten werden müssen.The invention uses magnetic confinement of flux vortices in superconductors to increase the critical current capabilities of the superconductors. In a particular embodiment, it can be applied to high-Tc oxide superconductors. It is known that atoms with a magnetic moment can be present in these materials without adversely affecting the superconducting properties of the material. In particular, these atoms can be located in locations that are not essential to the superconducting properties of the material and therefore do not destroy the superconductivity. In the practice of the present invention, magnetic atoms are confined in these high-Tc superconducting materials in such a way that a substantial number of magnetic flux vortices are confined so that the critical current of the material is increased. As will be seen, there are certain critical considerations regarding the confinement of these magnetic atoms; for example, if they are not in sufficient quantities, or in such a large quantity that 100% of the foreign atoms in the superconducting material are replaced, suitable flux fixation for high critical currents cannot be achieved. Furthermore, the locations where the magnetic atoms are located must be randomly distributed in their composition, ie it must not be possible to predict whether a magnetic atom is located at a certain location. Thus, there are critical conditions that must be met for the sufficient fixation of the flux vortices in order to increase the critical current.

Allgemein ist bekannt, daß Magnetflußwirbel in Supraleitern vom Typ II sich in diesen Materialien bewegen können und daß sie sich im allgemeinen rechtwinklig zum Suprastrom durch die Materialien bewegen. Wenn sie durch Einschluß von magnetischen Atomen gemäß der vorliegenden Erfindung fixiert sind, kommt es zur gegenseitigen Beeinflussung zwischen dem magnetischen Moment des Atoms und dem Magnetfeld, das mit dem Wirbel zusammenhängt. Wenn diese Magnetfelder ausgerichtet sind, setzt sich der Wirbel in einem Energieminimum fest und ist somit fixiert. Das Fixieren dieser Wirbel läßt dann den Fluß maximaler Supraströme im Material zu. Magnetische Atome fixieren die Wirbel da, wo die Wirbel eng gepackt werden können, wie z. B. in Abständen von etwa 100 nm (oder weniger).It is generally known that magnetic flux vortices in Type II superconductors can move within these materials and that they generally move perpendicular to the supercurrent through the materials. When they are fixed by confining magnetic atoms according to the present invention, there is a mutual interference between the magnetic moment of the atom and the magnetic field associated with the vortex. When these magnetic fields are aligned, the vortex settles into an energy minimum and is thus fixed. Fixing these vortices then allows maximum supercurrents to flow in the material. Magnetic atoms fix the vortices where the vortices can be closely packed, such as at intervals of about 100 nm (or less).

Man hat festgestellt, daß mit Hilfe magnetischer Atome ein wesentliches Fixieren der Wirbel ohne nachteilige Beeinflussung der Supraleitfähigkeit des Hoch-Tc-Materials möglich ist. Die magnetischen Atome üben sehr starke Fixierungskräfte auf die Wirbel aus, aber die Atome müssen in der Zusammensetzung des Supraleiters in Zufallsverteilung verteilt sein, um eine Erhöhung des kritischen Stroms zu bewirken. Sie dürfen nicht so im Supraleiter eingebaut sein, daß sie im Gitter des übergeordneten Supraleiters in einer regelmäßig verteilten Ordnung angeordnet sind.It has been found that with the help of magnetic atoms, it is possible to fix the vortices to a significant extent without adversely affecting the superconductivity of the high-Tc material. The magnetic atoms exert very strong fixation forces on the vortices, but the atoms must be randomly distributed in the composition of the superconductor in order to cause an increase in the critical current. They must not be built into the superconductor in such a way that they are arranged in a regularly distributed order in the lattice of the superconductor.

Im Falle eines Hoch-Tc-Oxid-Supraleiters, der ein Seltenerdeelement, ein Alkalierdeelement, Kupfer und Sauerstoff einschließt, können die magnetischen Atome an den Stellen der Seltenerden, der Alkalierden oder sogar an den Kupferstellen sitzen. Jedoch bewirken einige der Kupferstellen die Hoch-Tc- Supraleitfähigkeit in diesen Materialien und wenn hinreichende Mengen der magnetischen Atome an den Kupferstellen sitzen, die die Supraleitfähigkeit bewirken, wird die Supraleitfähigkeit des Materials nachteilig beeinflußt. Wenn aber die magnetischen Atome an den Stellen der seltenen Erden, der Alkalierden oder an den Kupferstellen sitzen, die nicht die Supraleitfähigkeit bewirken, kann eine beträchtliche Flußfixierung auftreten, ohne die Supraleitfähigkeitseigenschaften des Materials nachteilig zu beeinflussen.In the case of a high-Tc oxide superconductor including a rare earth element, an alkaline earth element, copper and oxygen, the magnetic atoms can be located at the rare earth sites, the alkaline earth sites or even the copper sites. However, some of the copper sites cause the high-Tc superconductivity in these materials and if sufficient amounts of the magnetic atoms are located at the copper sites causing the superconductivity, the superconductivity of the material is adversely affected. However, if the magnetic atoms are located at the rare earth sites, the alkaline earth sites or the copper sites not causing the superconductivity, considerable flux pinning can occur without adversely affecting the superconductivity properties of the material.

Das Einbauen dieser magnetischen Atome zum Erhöhen des kritischen Stroms kann auf jeden dieser Hoch-Tc-Supraleiter angewandt werden, ob nun dieser Supraleiter in Grundmaterialform oder als Folie ausgebildet ist, und unabhängig von der Geometrie des Supraleiters (Draht, Platte usw.). Ferner können die Supraleiter Einkristall- oder Mehrkristallmaterial sein. Die magnetischen Atome werden im allgemeinen während des Herstellungsprozesses des Supraleiters eingeschlossen, auf eine Art und Weise, die nachstehend noch eingehend beschrieben wird. Solche Verfahren sind auf dem Stand der Technik wohl bekannt.The incorporation of these magnetic atoms to increase the critical current can be applied to any of these high-Tc superconductors, whether the superconductor is in bulk form or in foil form, and regardless of the geometry of the superconductor (wire, plate, etc.). Furthermore, the superconductors can be single crystal or multi-crystal material. The magnetic atoms are generally incorporated during the fabrication process of the superconductor, in a manner described in detail below. Such techniques are well known in the art.

Bei Hoch-Tc-Oxid-Supraleitern wurde gefunden, daß der Einbau magnetischer Atome in hinreichenden Mengen zu einer zusammensetzungsmäßig in etwa zufälligen Verteilung dieser magnetischen Atome führt, die ihrerseits eine wesentliche Flußfixierung bewirken (d. h. genügend Fixierung zur Erhöhung des Ic) Das geschieht, ob die magnetischen Atome an den Stellen der selten Erden, der alkalischen Erden, oder sogar an den Kupferstellen dieses Materials sitzen. Die Stelle, an der das magnetische Atom sitzt, bestimmt ihrerseits die Valenz des magnetischen Atoms im Material. Wenn z. B. Ti als Fixierungsatom eingebaut ist, weist Ti eine 2&spplus; Valenz auf wenn es an einer Kupferstelle oder an der Stelle einer alkalischen Erde sitzt, es weist jedoch eine 3&spplus; Valenz auf, wenn es an der Stelle einer seltenen Erde sitzt. Andere repräsentative Atome, die ein magnetisches Moment aufweisen und geeignet sind zum Einschluß in diese Hoch-Tc-Supraleiter, um die Wirbel zu fixieren, sind die magnetischen seltenen Erden wie Gd, Tb, Yb, Dy, Er, La, Eu, Lu, usw. Für einige dieser Elemente ist die Stelle, die sie einnehmen sollen, kritisch. Z.B. bei Eu, Lu und La bekommen diese Atome eine 3&spplus; Valenz, wenn sie ein Element wie Y an der Stelle der seltenen Erden ersetzen. Wenn sie eine 3&spplus; Valenz aufweisen, wird das magnetische Moment, das diesen drei Elementen zugeordnet ist, gleich Null. Das heißt, wenn sie an den Stellen seltener Erden sitzen, sind sie nicht geeignet, Magnetflußwirbel zu fixieren. Auch wenn magnetische Atome der seltenen Erden oder sonstige magnetische Atome ihre Momente durch Einkristallfelder ausgerichtet haben anstatt durch das Magnetfeld des Wirbels, sind sie nicht wirksam beim Fixieren von Wirbeln.In high-Tc oxide superconductors, it has been found that the incorporation of magnetic atoms in sufficient quantities leads to a compositionally approximately random distribution of these magnetic atoms, which in turn cause a significant flux fixation (ie enough fixation to increase the Ic). This happens whether the magnetic atoms are located at the rare earth sites, the alkaline earth sites, or even at the copper sites of this material. The location of the magnetic atom in turn determines the valence of the magnetic atom in the material. For example, if Ti is used as a fixation atom When Ti is incorporated into a copper site or an alkaline earth site, it has a 2+ valence when it is incorporated into a copper site or an alkaline earth site, but it has a 3+ valence when it is incorporated into a rare earth site. Other representative atoms that have a magnetic moment and are suitable for inclusion in these high-Tc superconductors to fix the vortices are the magnetic rare earths such as Gd, Tb, Yb, Dy, Er, La, Eu, Lu, etc. For some of these elements, the site they are to occupy is critical. For example, for Eu, Lu and La, these atoms acquire a 3+ valence when they replace an element such as Y in the rare earth site. When they have a 3+ valence, the magnetic moment associated with these three elements becomes zero. That is, when they are incorporated into the rare earth sites, they are not suitable for fixing magnetic flux vortices. Even if rare earth magnetic atoms or other magnetic atoms have their moments aligned by single crystal fields rather than by the vortex magnetic field, they are not effective in pinning vortices.

Wie bereits früher bemerkt, lassen sich magnetische Elemente wie Fe, Co und Ni einsetzen, obwohl diese im allgemeinen für diesen Zweck weniger geeignete Atome sind. Insbesondere neigen die Atome dieser drei Elemente im allgemeinen dazu, in diesen Hoch-Tc-Supraleitern die Kupferstellen zu besetzen, und tendieren daher dazu, die Supraleitfähigkeit des Materials direkt zu beeinflussen. Da es ganz allgemein schwierig ist, die Stelle anzusteuern, wo diese drei Elemente haften sollen, da sie dazu neigen, die Kupferstellen zu besetzen, wird ihre Anwesenheit die Supraleitfähigkeiten des Materials stärker stören. Somit dürfen sie im allgemeinen nur in kleineren Mengen vorhanden sein, und wenn sie vorhanden sind, bestimmen nicht sie den Grad der Wirbelfixierung, der erforderlich ist, die höchstmöglichen kritischen Ströme zu erzielen.As noted earlier, magnetic elements such as Fe, Co and Ni can be used, although these are generally less suitable atoms for this purpose. In particular, the atoms of these three elements generally tend to occupy the copper sites in these high-Tc superconductors and therefore tend to directly affect the superconductivity of the material. Since it is generally difficult to target the location where these three elements are to adhere, since they tend to occupy the copper sites, their presence will disturb the superconductivity of the material more. Thus, they must generally be present only in small amounts and, when present, do not determine the degree of vortex fixation required to achieve the highest possible critical currents.

Möglich ist auch der Einsatz von Cu²&spplus;, um magnetische Fixierung in diesen Materialien zu erreichen. In diesen Hoch-Tc- Oxid-Supraleitern ist im allgemeinen etwa 1 Atom je zwei Einheitszellen ein Cu³&spplus; und der Rest Cu²&spplus;. Das Cu²&spplus; und Cu³&spplus; ist nach Zufallsverteilung über die Cu Stellen verteilt, und Cu²&spplus; kann verstärkt werden, um etwas Flußfixieren zu bewirken. Jedoch bieten andere Atome breitere magnetische Momente als Cu²&spplus; und sind im allgemeinen beim Flußfixieren effektiver.It is also possible to use Cu²⁺ to achieve magnetic fixation in these materials. In these high-Tc oxide superconductors, generally about 1 atom per two unit cells is Cu³⁺ and the rest is Cu²⁺. The Cu²⁺ and Cu³⁺ are randomly distributed over the Cu sites, and Cu²⁺ can be amplified to provide some flux fixing. However, other atoms offer broader magnetic moments than Cu²⁺ and are generally more effective at flux fixing.

Wie bereits gesagt, die Stellen der magnetischen Fixierungsatome müssen in Zufallsverteilung über das Supraleitergitter verstreut sein. Wenn sie geordnet sind, werden die Wirbel nicht effektiv fixiert, und wenn sie absolut geordnet sind, wird überhaupt keiner fixiert. Zusätzlich wurde gefunden, daß Atome, die ein großes magnetisches Moment beitragen, zusätzlich zu stärkeren Fixierungskräften auch die Temperaturabhängigkeit des kritischen Stroms im Supraleiter günstig beeinflussen. Wenn z. B. der kritische Strom gegen die Temperatur in einem Hoch-Tc-Oxid-Supraleiter mit einer Zufallsverteilung der magnetischen Fixierungsatome in der Zusammensetzung aufgetragen wird, stellt sich heraus, daß sich die Erhöhung des kritischen Stroms über einen größere Temperaturbereich erstreckt, wenn die magnetischen Atome große magnetische Momente aufweisen. Somit wird der Einbau eines Elements wie z. B. Gd, das per Atom ein größeres magnetisches Moment aufweist als z. B. Cu², eine Erhöhung des kritischen Stroms über einen größeren Temperaturbereich bewirken als Cu²&spplus;.As stated earlier, the locations of the magnetic fixation atoms must be randomly distributed throughout the superconductor lattice. If they are ordered, the vortices will not be effectively fixed, and if they are absolutely ordered, none will be fixed at all. In addition, it has been found that atoms contributing a large magnetic moment, in addition to providing stronger fixation forces, also favorably affect the temperature dependence of the critical current in the superconductor. For example, if the critical current is plotted against temperature in a high-Tc oxide superconductor with a random distribution of the magnetic fixation atoms in the composition, it is found that the increase in the critical current extends over a larger temperature range when the magnetic atoms have large magnetic moments. Thus, the incorporation of an element such as Gd, which has a larger magnetic moment per atom than, for example, B. Cu², cause an increase in the critical current over a wider temperature range than Cu²+.

Zwar ist die Erfindung auf eine besondere Anwendung in Hoch- Tc-Oxid-Supraleitern ausgelegt, sie läßt sich im Prinzip auch auf jeden Supraleiter Typ II anwenden, der eine kleine Kohärenzlänge aufweist. Die Kohärenzlänge ist ein Maß des Bereichs, über den sich die Supraleitfähigkeit in einem Material erstreckt, und ist in den meisten Supraleitern vom Nicht-Oxid-Typ II gewöhnlich groß. Wenn jedoch die Kohärenzlänge des Supraleiters klein ist, ist die örtliche magnetische Feldstärke im Wirbel sehr groß, und das Flußfixieren über magnetische Atome kann angewandt werden, um hochkritische Ströme zu erzeugen. Damit die magnetische Fixierung in den Superleitern vom Typ II auch wirkt, muß die Kohärenzlänge von der Größenordnung der Atome des Supraleiters sein. Das heißt, sie müßte in etwa die Länge der Einheitszelle auf dem Supraleiter sein, das heißt, sie sollte in der Regel etwa 0,3-3 nm betragen.Although the invention is designed for a particular application in high-Tc oxide superconductors, it can in principle be applied to any type II superconductor having a small coherence length. The coherence length is a measure of the range over which superconductivity extends in a material and is usually large in most non-oxide type II superconductors. However, if the coherence length of the superconductor is small, the local magnetic The field strength in the vortex is very high, and the flux fixation via magnetic atoms can be used to generate highly critical currents. In order for the magnetic fixation in the type II superconductors to be effective, the coherence length must be of the order of magnitude of the atoms of the superconductor. This means that it must be approximately the length of the unit cell on the superconductor, which means that it should generally be about 0.3-3 nm.

Der Einbau magnetischer Fixieratome in Hoch-Tc-Supraleitern kann auch Unordnung in den Ebenen einführen, die die Supraströme tragen, somit die Kohärenzlänge vermindern und das Magnetfeld in den Wirbeln verstärken. Das trägt zur weiteren Fixierung der Wirbel bei.The incorporation of magnetic pinning atoms in high-Tc superconductors can also introduce disorder in the planes that carry the supercurrents, thus reducing the coherence length and increasing the magnetic field in the vortices. This contributes to further pinning the vortices.

Die Figur stellt ein repräsentatives, supraleitfähiges Material dar, in dem die Fixierung magnetischer Ströme benutzt wird, um den kritischen Strom zu erhöhen. Mit dem Supraleiter 10 stehen die Elektroden 12A und 12B in Kontakt, die ihrerseits mit einem veränderbaren Widerstand R und mit einer Stromquelle 14 verbunden sind. Die Stellen der magnetischen Flußfixierung sind angezeigt durch die in Zufallsverteilung verteilten Punkte 16. Wenn der Supraleiter 10 auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der Supraleitfähigkeit auftritt, und ein Strom angelegt wird, erhöht sich der kritische Strom Ic durch das Vorkommen einer Zufallsverteilung der Atome mit magnetischen Momenten in der Zusammensetzung, wobei die Anzahl dieser magnetischen Atome hinreichend ist, eine beträchtliche Anzahl Flußwirbel im Supraleiter 10 zu fixieren. Obwohl die Figur eine schematisch Darstellung ist, wird der Fachmann verstehen, daß der Supraleiter als Grundmaterial oder in Folienform vorkommen kann, ein Einkristallmaterial oder ein Mehrkristallmaterial sein kann. Die Mittel zum Kühlen des Supraleiters 10 sind zwar in der Figur nicht dargestellt, sind aber auf dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Für einen Hoch-Tc-Oxid-Supraleiter, wie z. B. YBa&sub2;Cu&sub3;Ox, ist flüssiger Stickstoff geeignet, während für einen Supraleiter Typ II mit einer kritischen Übergangstemperatur unter 77 K Kühlung mit flüssigem Helium angewandt wird.The figure shows a representative superconducting material in which the fixation of magnetic currents is used to increase the critical current. In contact with the superconductor 10 are electrodes 12A and 12B which in turn are connected to a variable resistor R and to a current source 14. The locations of magnetic flux fixation are indicated by the randomly distributed points 16. When the superconductor 10 is cooled to a temperature at which superconductivity occurs and a current is applied, the critical current Ic increases due to the presence of a random distribution of atoms with magnetic moments in the composition, the number of these magnetic atoms being sufficient to fix a significant number of flux vortices in the superconductor 10. Although the figure is a schematic representation, those skilled in the art will understand that the superconductor may be in bulk or foil form, a single crystal material or a multi-crystal material. The means for cooling the superconductor 10 are not shown in the figure, but are well known in the art. For a high-Tc oxide superconductor, such as YBa₂Cu₃Ox, liquid nitrogen is suitable, while for a type II superconductor with a critical transition temperature below 77 K cooling with liquid helium is applied.

Die zum Fixieren der Wirbel geeigneten magnetischen Atome lassen sich leicht im Grundmaterial bzw. Folienmaterial einbauen. Wenn zum Beispiel ein Hoch-Tc-Massensupraleiter, der eine seltene Erde oder ein Seltenerdeelement, ein alkalisches Erdelement, Kupfer oder Sauerstoff enthält, hergestellt werden soll, wird ein Pulver, das die magnetischen Atome enthält, den Pulvern, die zum Ausformen des Grundmaterialsupraleiters gemischt und später erhitzt werden, zugemischt. Im vorliegenden Beispiel, in dem ein Y-Ba-Cu-O-Oxid-Supraleiter gewünscht wird, können die Ausgangszusatzstoffe ein Pulver eines magnetischen Elements, wie z. B. Gd-Oxid in Pulverform sein. Die Gd-Atome dringen zu den Y-Stellen im Material vor und erzeugen Gd-substituierte Y-Ba-Cu-O-Oxid-Supraleiter. Im allgemeinen sind magnetische Seltenerdeatome bestrebt, an die Seltenerdenstellen zu wandern, wenn die magnetischen Atome bevorzugt eine 3&spplus; Wertigkeit aufweisen, und wandern vorzugsweise an die Alkalierdenstellen, wo sie das Ba ersetzen, wenn die magnetischen Seltenerden bevorzugt eine 2&spplus; Wertigkeit aufweisen. Dem Fachmann sind die Techniken zum Einbauen magnetischer Atome in diese Hoch-Tc-Grundmaterial-Supraleiter bekannt.The magnetic atoms suitable for fixing the vortices can be easily incorporated into the base material or sheet material. For example, if a high-Tc bulk superconductor containing a rare earth or rare earth element, an alkaline earth element, copper or oxygen is to be produced, a powder containing the magnetic atoms is mixed into the powders that are mixed to form the base material superconductor and later heated. In the present example, where a Y-Ba-Cu-O oxide superconductor is desired, the starting additives can be a powder of a magnetic element, such as Gd oxide in powder form. The Gd atoms penetrate to the Y sites in the material and produce Gd-substituted Y-Ba-Cu-O oxide superconductors. In general, magnetic rare earth atoms tend to migrate to the rare earth sites when the magnetic atoms preferentially have a 3+ valence, and preferentially migrate to the alkaline earth sites where they replace the Ba when the magnetic rare earths preferentially have a 2+ valence. Techniques for incorporating magnetic atoms into these high-Tc bulk superconductors are well known to those skilled in the art.

Auch der Einbau eines magnetischen Atoms in ein Hoch-Tc- Oxidmaterial in Folienform läßt sich leicht bewirken. Zum Beispiel kann eine YBa&sub2;Cu&sub3;Ox-Dünnschicht, die epitaxial auf ein SrTiO&sub3;-Substrat aufgebracht wurde, entsprechend behandelt werden, um magnetische Atome in die supraleitende YBa&sub2;Cu&sub3;Ox- Folie einzubauen. Dazu wird die Folien/Substrat-Kombination erhitzt, damit sich ein Teil des Substrats in der Supraleiterfolie löst. Das führt Ti-Atome ein, die entweder an die Y-Stellen oder an die Ba-Stellen sowie auch an die Cu²&spplus;- Stellen vordringen. Die Ti-Atome werden dabei in der supraleitenden Folie zufällig verteilt, und wenn genügend dieser Ti-Atome vorliegen, tritt beträchtliches Flußfixieren auf und veranlaßt, daß die supraleitende Folie einen hohen kritischen Strom zeigt, auch bei Temperaturen in der Nähe der supraleitenden Übergangstemperatur.The incorporation of a magnetic atom into a high-Tc oxide material in foil form is also easy to achieve. For example, a YBa₂Cu₃Ox thin film epitaxially deposited on a SrTiO₃ substrate can be treated to incorporate magnetic atoms into the YBa₂Cu₃Ox superconducting foil. To do this, the foil/substrate combination is heated so that part of the substrate dissolves into the superconducting foil. This introduces Ti atoms that penetrate either the Y sites or the Ba sites as well as the Cu²⁺ sites. The Ti atoms are randomly distributed in the superconducting foil and if enough of these Ti atoms are present, considerable flux pinning occurs and causes the superconducting foil to exhibit a high critical current, even at temperatures close to the superconducting transition temperature.

Als Beispiel für einen Herstellungsprozeß zum Erzielen von magnetischer Fixierung in einem YBa&sub2;Cu&sub3;Ox-Film, der epitaxial auf SrTiO&sub3; aufgebracht wird, kann man nach dem Auftragen ein Blitzglühen von 1 bis 2 Sekunden Dauer bei etwa 950ºC einsetzen. Anschließend erfolgt Glühen für ein paar Minuten bei etwa 925ºC, um die Struktur ins Gleichgewicht zu bringen. Dann wird im Ofen abgekühlt, um die richtige Menge Sauerstoff zu absorbieren, damit der Hochtemperatur-Supraleitfähigkeitsübergang erreicht wird.As an example of a fabrication process to achieve magnetic fixation in a YBa2Cu3Ox film epitaxially deposited on SrTiO3, one can use a post-deposition flash anneal for 1 to 2 seconds at about 950ºC. This is followed by an anneal for a few minutes at about 925ºC to equilibrate the structure. Then it is cooled in the furnace to absorb the right amount of oxygen to achieve the high-temperature superconductivity transition.

Anstatt Einbauen der Atome mit einem magnetischen Moment von einen Substrat aus ist es natürlich auch möglich, Atome während des Aufschichtungsprozesses einzubauen. Man kann z. B. beim Auftragen einer Folie aus YBa&sub2;Cu&sub3;Ox die von R.B. Laibowitz in Phys. Rev. B 35 (1987) S. 8821 beschriebene Methode anwenden, in der eine Verdampfungsquelle bestehend aus magnetischen Atomen eingebaut wird. Zum Beispiel werden bei dieser Technik zum Herstellen supraleitender Folien die verschiedenen Metalle, die die aufzutragende Supraleitfolie enthält, in einer Sauerstoffatmosphäre auf ein Substrat aufgestäubt oder aufgedampft. Für die magnetischen Atome würde dann eine zusätzliche Quelle hinzugefügt werden. In Abhängigkeit von der Elektronenstrahlenergie, die an diese Quellen geliefert wird, und der Zeitspanne zum Verdampfen der einzelnen gesonderten Metalle, werden dann die magnetischen Atome direkt in die aufgeschichtete supraleitende Folie eingebaut.Instead of incorporating atoms with a magnetic moment from a substrate, it is of course also possible to incorporate atoms during the deposition process. For example, when depositing a film of YBa₂Cu₃Ox, one can use the method described by R.B. Laibowitz in Phys. Rev. B 35 (1987) p. 8821, in which an evaporation source consisting of magnetic atoms is incorporated. For example, in this technique for producing superconducting films, the various metals that the superconducting film to be deposited contains are sputtered or evaporated onto a substrate in an oxygen atmosphere. An additional source would then be added for the magnetic atoms. Depending on the electron beam energy supplied to these sources and the time required to evaporate the individual metals, the magnetic atoms are then incorporated directly into the layered superconducting foil.

Jetzt sollen die Mechanismen des magnetischen Wirbelfixierens und die zur Bestimmen der Anzahl der magnetischen Ionen, die zum Erzeugen einer wesentlichen Wirbelfixierung und damit eines vergrößerten kritischen Stromes benötigt werden, beschrieben werden. Insbesondere werden die Berechnungen im Hinblick auf Hoch-Tc-Oxid-Supraleiter und insbesondere auf das wohlbekannte Material Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;Ox ausgeführt. Die hier bewerteten Prinzipien gelten jedoch auch für andere Supraleiter Typ II, die sehr kleine Kohärenzlängen der oben angegebenen Größen aufweisen.Now the mechanisms of magnetic vortex fixation and the methods for determining the number of magnetic ions required to generate a significant vortex fixation and thus an increased critical current are to be discussed. In particular, the calculations are carried out with respect to high-Tc oxide superconductors and in particular to the well-known material Y₁Ba₂Cu₃Ox. However, the principles evaluated here also apply to other type II superconductors having very small coherence lengths of the sizes given above.

Wenn die Fixierungsquelle in Zufallsverteilung angeordnet wird, d. h. nicht jeder Wirbel fixiert wird, dann reduziert sich die effektive Fixierungskraft je Wirbel. Das wird hier vereinfacht für den Fall einer Anordnung gezeigt, in dem sich die Wirbel gegenseitig beeinflussen, so daß Fij = -Fij, wobei Fij die Kraft auf den iten Wirbel ausgehend vom jten Wirbel ist. Wenn der Strom eine Kraft Fi ausübt und der Kte Wirbel mit einer Kraft Fp,k fixiert ist, dann ist If the fixation source is arranged randomly, ie not every vortex is fixed, then the effective fixation force per vortex is reduced. This is shown here in a simplified manner for the case of an arrangement in which the vortices influence each other so that Fij = -Fij, where Fij is the force on the i-th vortex originating from the j-th vortex. If the stream exerts a force Fi and the Kth vortex is fixed with a force Fp,k, then

Aufsummieren über i ergibt Summing over i gives

wenn die Stromverteilung gleichmäßig ist. Wenn nur ein Bruchteil der Wirbel fixiert wird, verringert sich die resultierende Fixierung der Anordnung um diesen Bruchteil. Um die volle Wirkung der Fixierung zu erzielen, wäre es erwünscht, jeden Wirbel mit größtmöglicher Kraft zu fixieren. Der Gitterparameter eines Abrikson-Gitters ist in etwa gleich 1,075 (Φ/B)1/2, wobei Φ gleich dem Flußquantum und B das magnetische Feld innerhalb des Supraleiters ist. Wenn B gleich Hc1 gesetzt wird, ist der durchschnittliche Abstand zwischen den Wirbeln in der Größenordnung von 30 nm und nimmt mit zunehmendem Feld ab.if the current distribution is uniform. If only a fraction of the vortices are pinned, the resulting pinning of the array is reduced by that fraction. To achieve the full effect of pinning, it would be desirable to pin each vortex with the greatest possible force. The lattice parameter of an Abrikson lattice is approximately equal to 1.075 (Φ/B)1/2, where Φ is equal to the flux quantum and B is the magnetic field within the superconductor. If B is set equal to Hc1, the average distance between the vortices is of the order of 30 nm and decreases with increasing field.

Eine der bemerkenswerten Eigenschaften der Hoch-Tc-Supraleiter ist ihre kurze Kohärenzlänge. Die Stärke des magnetischen Feldes innerhalb des Kerns dieser Supraleiter ist daher groß und ist vergleichbar mit derjenigen - jedoch kleiner als diese -, die einem Molekularfeld in einem Ferromagneten zugeordnet wird. Wenn magnetische Ionen im Kern anwesend sind, kommt es zu einer gegenseitigen Beeinflussung, die die Energie des Kerns durch einen Betrag (ΦNgJuB(x))/2π reduziert, in dem N die Anzahl der magnetischen Ionen je Volumeneinheit, gJ das Moment je Ion, uB das Bohr-Magneton und B(x) die Brillouin-Funktion des Arguments x = (2gJuBHc&sub2;/kT) ist, wobei k die Boltzmann-Konstante und T die Temperatur ist. Diese Energie ist im Regelfall ein paar Prozent der normalen Kernenergie, wenn ein paar magnetische Verunreinigungen je Einheitszelle mit dem Moment gJ gleich eins angenommen werden. Eindeutig kann diese auch ein signifikanter Anteil werden, wenn genügend magnetische Ionen ein großes Moment aufweisen. Das weist darauf hin, daß das Hc dieser Materialien durch Zugeben von magnetischen Ionen gesenkt werden kann.One of the remarkable properties of high-Tc superconductors is their short coherence length. The strength of the magnetic field within the core of these superconductors is therefore large and is comparable to - but smaller than - that associated with a molecular field in a ferromagnet. When magnetic ions are present in the core, a mutual influence occurs, reducing the energy of the core by an amount (ΦNgJuB(x))/2π, where N is the number of magnetic ions per unit volume, gJ is the moment per ion, uB is the Bohr magneton, and B(x) is the Brillouin function of the argument x = (2gJuBHc₂/kT), where k is the Boltzmann constant and T is the temperature. This energy is usually a few percent of the normal nuclear energy if a few magnetic impurities per unit cell with a moment gJ equal to one are assumed. Clearly this can also become a significant proportion if enough magnetic ions have a large moment. This indicates that the Hc of these materials can be lowered by adding magnetic ions.

Es soll angenommen werden, daß ein Wirbel flexibel ist und durch Fluktuationen der Anzahl der magnetischen Atome, mit denen er sich kreuzt, fixiert werden soll. Diese Fluktuationen entstehen aus einer Zufallsverteilung der Atome. Wenn das magnetische Moment an Atomstellen in einer geordneten Anordnung verteilt wäre, dann würde es keine Fixierung geben, unabhängig von der Größenordnung des Moments je Stelle. Die zutreffende Skala, über die die Fluktuationen wichtig sind, wird durch die Kohärenzlänge bestimmt. Je kleiner diese Größe ist, desto größer wird der Wert der Fluktuation. Nachstehend folgt eine angenäherte Lösung für den kritischen Strom unter Verwendung dieses Arguments.Suppose that a vortex is flexible and is to be fixed by fluctuations in the number of magnetic atoms with which it intersects. These fluctuations arise from a random distribution of the atoms. If the magnetic moment were distributed at atomic sites in an ordered arrangement, then there would be no fixation, regardless of the magnitude of the moment per site. The appropriate scale over which the fluctuations are important is determined by the coherence length. The smaller this quantity is, the larger the value of the fluctuation becomes. Below is an approximate solution for the critical current using this argument.

Die Anzahl der magnetischen Atome je Volumen V der Einheitszelle wird durch N gegeben, und jedes Atom hat ein Moment gJ. Zwecks Vereinfachung wird angenommen, daß nur ein einziger Typ Momente zum Fixieren beiträgt. Die Anzahl Np magnetisch aktiver Atome in einem Volumen, das durch die Kohärenzlänge ξ definiert wird, ist α4πξ³/3 V. Ist die Abweichung vom Durchschnittswert Np nur klein, kann sie durch eine normale Verteilung dargestellt werden, und das Volumen V des Materials, in der die Wahrscheinlichkeit des Findens einer Fluktuation eins ist, wird dann gegeben durchThe number of magnetic atoms per volume V of the unit cell is given by N, and each atom has a moment gJ. For the sake of simplicity, it is assumed that only one type moments contribute to the fixation. The number Np of magnetically active atoms in a volume defined by the coherence length ξ is α4πξ³/3 V. If the deviation from the average value Np is only small, it can be represented by a normal distribution, and the volume V of the material in which the probability of finding a fluctuation is one is then given by

V ∼ (π/e&supmin;¹/π) (α4πξ³/3 V) (4πξ³/3) (3)V∼(π/e⊃min;¹/π) (α4πα³/3 V) (4πα³/3) (3)

Der durchschnittliche Abstand l zwischen diesen Fluktuationen beträgt V1/3. Wenn wir annehmen, daß die Fluktuation in der Anzahl Atome im Volumen, das durch die Kohärenzlänge definiert wird, gleich Np1/2 ist, beträgt die Fixierungsenergie (2Hc&sub2;gJuβB(x)) Np und die durchschnittliche Kraft, die zum Fixieren der Wirbel benötigt wird, ist dieser Wert geteilt durch l. Durch Gleichstellen dieses Werts mit der Kraft auf den Wirbel, die von einer kritischen Stromstärke Jc ausgeübt wird, ergibt die folgende Gleichung:The average distance l between these fluctuations is V1/3. If we assume that the fluctuation in the number of atoms in the volume defined by the coherence length is Np1/2, the fixation energy is (2Hc₂gJuβB(x)) Np and the average force required to fix the vortex is this value divided by l. Equating this value to the force on the vortex exerted by a critical current Jc gives the following equation:

JcΦol = (2Hc&sub2;gJuβB(x))-&supmin;¹Np1/2 (4)JcΦol = (2Hc₂gJuβB(x))-⊃min;¹Np1/2 (4)

oderor

Jc(A/cm²) = 3,37·10&supmin;²¹(α/V)&supmin;1/6(gJB(x))ξ&supmin;9/2 (5)Jc(A/cm²) = 3.37·10⊃min;²¹(α/V)⊃min;1/6(gJB(x))ξ⊃min;9/2 (5)

In den Y&sub1;Ba&sub2;Cu&sub3;Ox-Verbindungen (genannt die 1-2-3-Verbindungen) hängt das magnetische Moment von den Cu²&spplus; Ionen ab. Eine Zufallsverteilung ergibt sich aus dem Vorkommen einiger Cu³&spplus; Ionen. Daher werden die folgenden Werte eingestellt: gJ = 1 und α = 1/2. Dieser letztere Wert entspricht der Anzahl Träger, die, wie allgemein vermutet wird, mit dem Cu³&spplus;-Zustand in Verbindung stehen. Die Kohärenzlänge bei niedrigen Temperaturen beträgt etwa 3 nm. Das Einsetzen dieser Werte in Gleichung (5) ergibt für Jc einen Wert zwischen 2·10&sup5; und 10&sup6; A/cm² für ξ = 2 bis 3 nm. Der berechnete kritische Strom stimmt qualitativ mit den experimentellen Beobachtungen überein.In the Y₁Ba₂Cu₃Ox compounds (called the 1-2-3 compounds), the magnetic moment depends on the Cu²⁺ ions. A random distribution results from the presence of some Cu³⁺ ions. Therefore, the following values are set: gJ = 1 and α = 1/2. This latter value corresponds to the number of carriers generally assumed to be associated with the Cu³⁺ state. The coherence length at low temperatures is about 3 nm. Inserting these values into equation (5) gives a value for Jc between 2·10⁵ and 10⁺ A/cm² for �xi = 2 to 3 nm. The calculated critical current agrees qualitatively with the experimental observations.

Die Temperaturabhängigkeit des kritischen Stromes beruht nicht nur auf der Abhängigkeit der Kohärenzlänge von der Temperatur, sondern auch von der Brillouin-Funktion. In der Nähe der Übergangstemperatur Tc ist das Argument der Brillouin-Funktion kleiner als 1, und unter Verwendung der "Grobrechnungsannäherung" für die Temperaturabhängigkeit der Kohärenzlänge, erhält man den folgenden Ausdruck für Jc:The temperature dependence of the critical current is based not only on the dependence of the coherence length on the temperature, but also on the Brillouin function. Near the transition temperature Tc, the argument of the Brillouin function is less than 1, and using the "rough calculation" approximation for the temperature dependence of the coherence length, one obtains the following expression for Jc:

Jc(A/cm²)= 1,13·10&supmin;²&sup0;(gJB(x))h&supmin;1ξ-3 (6)Jc(A/cm²)= 1.13·10⊃min;²⊃0;(gJB(x))h⊃min;1ξ-3 (6)

für sehr dünne Folien, wobei h die Foliendicke ist.for very thin films, where h is the film thickness.

Für den größten Teil des Temperaturbereichs kann jedoch die Brillouin-Funktion nicht näherungsweise berechnet werden. Somit wird der volle Ausdruck benutzt und unter Verwendung wohlbekannter Parameter läßt sich die Temperatur des kritischen Stroms errechnen. Dieser Wert wurde verglichen mit den einzelnen Einkristalldaten und die Übereinstimmung ist ganz gut.However, for most of the temperature range, the Brillouin function cannot be calculated approximately. Thus, the full expression is used and using well-known parameters, the temperature of the critical current can be calculated. This value was compared with the individual single crystal data and the agreement is quite good.

Betrachten wir jetzt supraleitende Epitaxialfolien aus YBa&sub2;Cu&sub3;Ox auf SrTiO&sub3;. Während des Glühens der supraleitenden Verbindung löst sich das SrTiO&sub3; in der 1-2-3-Verbindung. Sowohl Sr- als auch Ti-Atome wandern in den Supraleiter. Obwohl die genauen Stellen dieser Atome im Supraleiter nicht bekannt sind, ist es vernünftig, anzunehmen, daß das Titan entweder als Ti²&spplus; oder als Ti³&spplus; auftritt. In beiden Fällen trägt es ein magnetisches Moment, das mindestens zweimal so groß ist wie das Cu²&spplus; Moment. Die Brillouin-Funktion nähert sich der 1 bei viel höheren Temperaturen, so daß die Temperaturabhängigkeit nicht ganz so stark ist. Ein Vergleich mit experimentellen Daten an einer Epitaxialfolie zeigt, daß die Übereinstimmung wiederum gut ist. Diese qualitative Übereinstimmung unterstützt die Annahme, daß Wirbel fixieren durch Magnetatome, die nach Zufallsverteilung verteilt sind, dazu benutzt werden kann, die kritischen Ströme in diesen Hochtemperatur-Supraleitern zu vergrößern.Let us now consider superconducting epitaxial foils of YBa₂Cu₃Ox on SrTiO₃. During annealing of the superconducting compound, the SrTiO₃ dissolves in the 1-2-3 compound. Both Sr and Ti atoms migrate into the superconductor. Although the exact locations of these atoms in the superconductor are not known, it is reasonable to assume that the titanium appears either as Ti²⁺ or as Ti³⁺. In both cases it carries a magnetic moment that is at least twice as large as the Cu²⁺ moment. The Brillouin function approaches 1 at much higher temperatures, so the temperature dependence is not quite as strong. A comparison with experimental data on an epitaxial foil shows that the agreement is again good. This qualitative agreement supports the assumption that vortices fix by Randomly distributed magnet atoms can be used to increase the critical currents in these high-temperature superconductors.

Wie bereits bemerkt, kann der richtige Einbau von Atomen mit einem magnetischen Moment dazu benutzt werden, Flußwirbel im Supraleitfähigkeitsmaterial erfolgreich zu fixieren, wobei der Temperaturbereich, über den eine wesentliche Wirbelfixierung auftritt, von der Größenordnung des magnetischen Moments je Einheitsatom abhängt. Die Anzahl der magnetischen Atome, die in das Supraleitermaterial eingebaut werden müssen, muß hinreichend groß sein, um eine wesentliche Wirbelfixierung zu erreichen (d. h. eine Anzahl, die Ic vergrößert), und ist so, daß es zur Zufallsverteilung der magnetischen Fixierungsatome in der Zusammensetzung kommt. Das bedeutet, daß nicht 100% der Seltenerdeatome oder der Alkalierdeatome in z. B. Hoch-Tc-Oxid-Supraleitern der auf dem Stand der Technik wohlbekannten Typen ersetzt werden dürfen noch darf die Anzahl der wirbelfixierenden Atome so klein sein, daß sie zwar zufallsverteilt werden, aber die Anzahl der fixierten Wirbel zu klein ist, als daß Ic vergrößert würde. Wie man gesehen hat, werden etwa 50% der an den Seltenerdestellen oder Alkalierdenstellen sitzenden Atome durch Atome mit einem magnetischen Moment ersetzt, eine wesentliche Anzahl der Wirbel wird fixiert und die Erhöhung des kritischen Stroms wird erzielt. Zwecks einer vollständigeren Analyse der Anzahl der magnetischen Atome, die eine Zufallsverteilung und damit Wirbelfixierung bewirken, wird auf die vorstehenden Gleichungen, und insbesondere auf Gleichung 5 verwiesen.As already noted, the proper incorporation of atoms with a magnetic moment can be used to successfully pin flux vortices in the superconducting material, with the temperature range over which significant vortex pinning occurs depending on the magnitude of the magnetic moment per unit atom. The number of magnetic atoms that must be incorporated into the superconducting material must be sufficiently large to achieve significant vortex pinning (i.e., a number that increases Ic), and such that the magnetic pinning atoms are randomly distributed in the composition. This means that not 100% of the rare earth atoms or the alkaline earth atoms in, for example, the superconducting material will be present. B. High-Tc oxide superconductors of the types well known in the art, nor must the number of vortex-fixing atoms be so small that they are randomly distributed but the number of fixed vortices is too small to increase Ic. As has been seen, about 50% of the atoms located at the rare earth or alkaline earth sites are replaced by atoms with a magnetic moment, a significant number of the vortices are fixed and the increase in the critical current is achieved. For a more complete analysis of the number of magnetic atoms causing random distribution and thus vortex fixation, reference is made to the above equations, and in particular to equation 5.

In der erfindungsgemäßen Praxis wurden Supraleiter Typ II mit kleinen Kohärenzlängen in der Größenordnung der Einheitszelle im Supraleiter durch Einschluß von Atomen verändert, die magnetische Fixierungsstellen für die Flußwirbel bewirken. Diese magnetischen Fixierungsstellen müssen im Supraleiter zufallsverteilt sein, um ein zufällig zusammengesetztes Material zu erzeugen. Sie müssen ferner in hinreichender Menge vorhanden sein, um die geforderte Zufallsverteilung zu bewirken und gleichzeitig in ausreichender Menge vorkommen, um eine wesentliche Wirbelfixierung zu ermöglichen. Natürlich wird jede beliebige Menge Wirbelfixierungen dazu beitragen, Ic zu verstärken, aber je größer die Anzahl der fixierten Wirbel ist, desto höher ist die Größenordnung von Ic.In the practice of the invention, type II superconductors with small coherence lengths on the order of the unit cell in the superconductor were modified by including atoms that cause magnetic fixation sites for the flux vortices. These magnetic fixation sites must be randomly distributed in the superconductor in order to create a randomly composed material. They must also be present in sufficient quantity to cause the required random distribution and at the same time be present in sufficient quantity to allow substantial vertebral fixation. Of course, any amount of vertebral fixation will help to enhance Ic, but the greater the number of vertebrae fixed, the higher the magnitude of Ic.

Das Fixieren der Wirbel muß erreicht werden, ohne die Supraleitfähigkeiten des Materials ernstlich zu vermindern. Wenn beispielsweise der Supraleiter verschlechtert wird, wird der Temperaturbereich betroffen, über den die Supraleitfähigkeit erreicht wird, und auch wenn hohe kritische Ströme angezeigt werden, wird das Material nicht besonders geeignet sein, wenn sich der Temperaturbereich der Supraleitfähigkeit nicht ohne weiteres erreichen und beibehalten läßt. Der Fachmann wird diese Konstruktionsüberlegungen berücksichtigen, die sich in Abhängigkeit von der geplanten Anwendung des Supraleitmaterials verändern können.The pinning of the vortices must be achieved without seriously reducing the superconductivity of the material. For example, if the superconductor is degraded, the temperature range over which superconductivity is achieved will be affected and even if high critical currents are indicated, the material will not be particularly suitable if the temperature range of superconductivity cannot be readily achieved and maintained. The skilled person will take into account these design considerations, which may vary depending on the intended application of the superconducting material.

Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, dem Fachmann ist selbstverständlich bewußt, daß verschiedene Änderungen möglich sind, ohne von Umfang und Wesensart der Erfindung abzuweichen. In dieser Hinsicht können mehr als eine Atomart, die ein magnetisches Moment aufweisen, in den Supraleiter eingebracht werden, und die Größenordnung des magnetischen Moments dieser Atome kann von kleinen bis zu hohen Beträgen variieren. Selbstverständlich läßt sich eine wirksamere Fixierung über eine breiteren Temperaturbereich erreichen, wenn die Atome große magnetische Momente aufweisen. Andererseits verursachen Atome mit sehr großen magnetischen Momenten, die die Supraleitfähigkeit bewirkende Stellen besetzen, möglicherweise einen Verlust der Supraleitfähigkeit im Material.The invention has been described above with reference to specific embodiments, but it will be understood by those skilled in the art that various changes may be made without departing from the scope and spirit of the invention. In this regard, more than one type of atom having a magnetic moment may be incorporated into the superconductor, and the magnitude of the magnetic moment of these atoms may vary from small to large amounts. Of course, more effective pinning over a wider temperature range may be achieved if the atoms have large magnetic moments. On the other hand, atoms having very large magnetic moments occupying superconductivity-causing sites may cause a loss of superconductivity in the material.

Ferner wurden besondere Techniken zum Einbauen der Atome mit magnetischem Moment zwecks Bewirken der Wirbelfixierung gezeigt, dem Fachmann ist jedoch bewußt, daß der Einbau der magnetischen Atome zum Wirbel fixieren in Grundmaterial oder in Folienmaterial auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden kann. Das allgemeine Konzept ist das Vorsehen der magnetischen Fixierungskräfte in Zufallsverteilung zwecks Erzeugens eines erhöhten Ic. Weiterhin versteht der Fachmann, daß diese Erfindung Supraleiter betrifft, die polykristallin oder auch Einkristalle sein können und die in jeder beliebigen geometrischen Form erzeugt werden können (Platte, Draht usw.)Furthermore, special techniques for incorporating atoms with magnetic moment to achieve vortex fixation were demonstrated, However, the person skilled in the art will be aware that the incorporation of the magnetic atoms for vortex fixation in the base material or in the foil material can be carried out in different ways. The general concept is to provide the magnetic fixation forces in a random distribution in order to produce an increased Ic. Furthermore, the person skilled in the art will understand that this invention relates to superconductors which can be polycrystalline or single crystals and which can be produced in any geometric shape (plate, wire, etc.).

Insbesondere läßt sich diese Technik anwenden, um Hoch-Tc- Oxid-Supraleiter und Geräte zu produzieren, insbesondere Kupferoxid-Supraleiter mit einem Tc höher als 77 K, der kritische Ströme über 10&sup4; A/cm² bei 77 K aufweist.In particular, this technique can be applied to produce high-Tc oxide superconductors and devices, especially copper oxide superconductors with a Tc higher than 77 K, which have critical currents above 10⁴ A/cm² at 77 K.

Claims (13)

1. Supraleiter vom Typ II mit kurzer Kohärenzlänge in der Größenordnung der Atomabmessungen in diesem Supraleiter, in dem Wirbel auftreten, die bei freier Beweglichkeit den maximalen kritischen Strom durch den Supraleiter einschränken, wobei dieser Supraleiter Fixierungsstellen zum magnetischen Fixieren dieser Wirbel aufweist, um deren Beweglichkeit im Supraleiter zu verhindern, wobei diese Fixierungsstellen reguläre Gitterstellen sind, die in Zufallsverteilung infolge einer Teilsubstitution durch Atome mit ihnen zugeordneten magnetischen Momenten hinreichender Größe zwecks Fixierens dieser Wirbel besetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kohärenzlänge im angenäherten Bereich 0,3 bis 3 nm liegt, daß etwa 50% der Gitterstellen eines Bestandteils dieses Supraleiters von Atomen mit magnetischen Momenten besetzt sind, die größer sind als das von Cu²&spplus;-Atomen, so daß der kritische Strom Ic des Supraleiters erhöht wird und einen größeren Wert als 10&sup4; A/cm² bei 77 K aufweist.1. Type II superconductor with a short coherence length in the order of magnitude of the atomic dimensions in this superconductor, in which vortices occur which, when freely mobile, limit the maximum critical current through the superconductor, this superconductor having fixing points for magnetically fixing these vortices in order to prevent their mobility in the superconductor, these fixing points being regular lattice points which are randomly distributed as a result of partial substitution by atoms with magnetic moments associated with them of sufficient magnitude for the purpose of fixing these vortices, characterized in that this coherence length is in the approximate range of 0.3 to 3 nm, that about 50% of the lattice points of a component of this superconductor are occupied by atoms with magnetic moments which are larger than those of Cu²⁺ atoms, so that the critical current Ic of the superconductor is increased and a value greater than 10⁴ A/cm² at 77 K. 2. Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter ein Grundmaterial-Supraleiter ist.2. Superconductor according to claim 1, characterized in that the superconductor is a bulk material superconductor. 3. Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter eine Folie ist.3. Superconductor according to claim 1, characterized in that the superconductor is a foil. 4. Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter ein Hoch-Tc-Supraleiter ist, der Supraleitfähigkeit bei Temperaturen über 26 K aufweist, wobei der Supraleiter eine seltene Erde und/oder ein Seltenerdeelement, ein Alkalierdeelement, ein Übergangsmetallelement und Sauerstoff einschließt.4. A superconductor according to claim 1, characterized in that the superconductor is a high-Tc superconductor which exhibits superconductivity at temperatures above 26 K, wherein the superconductor includes a rare earth and/or a rare earth element, an alkaline earth element, a transition metal element and oxygen. 5. Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome mit den magnetischen Momenten an den Stellen der seltenen Erden bzw. an den Stellen der seltenerdenähnlichen Elemente im Gitter des Supraleiters sitzen.5. Superconductor according to claim 4, characterized in that these atoms with the magnetic moments at the Places of the rare earths or of the rare earth-like elements in the lattice of the superconductor. 6. Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome mit den magnetischen Momenten an den Stellen der alkalischen Erden im Gitter des Supraleiters sitzen.6. Superconductor according to claim 4, characterized in that these atoms with the magnetic moments are located at the locations of the alkaline earths in the lattice of the superconductor. 7. Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome mit den magnetischen Momenten an den Übergangsmetallstellen im Gitter des Supraleiters sitzen.7. Superconductor according to claim 4, characterized in that these atoms with the magnetic moments are located at the transition metal sites in the lattice of the superconductor. 8. Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome mit den magnetischen Momenten Seltenerdeatome sind.8. Superconductor according to claim 1, characterized in that these atoms with the magnetic moments are rare earth atoms. 9. Supraleiter gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Atome mit den magnetischen Momenten Übergangsmetallatome sind.9. Superconductor according to claim 1, characterized in that these atoms with the magnetic moments are transition metal atoms. 10. Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine rhombische Struktur aufweist.10. Superconductor according to claim 4, characterized in that it has a rhombic structure. 11. Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine geschichtete kristalline Struktur aufweist.11. Superconductor according to claim 4, characterized in that it has a layered crystalline structure. 12. Supraleiter gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter eine Y-Ba-Cu-O-Verbindung ist.12. Superconductor according to claim 4, characterized in that the superconductor is a Y-Ba-Cu-O compound. 13. Supraleiter gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiter eine nominelle Zusammensetzung YBa&sub2;Cu&sub3;Ox hat.13. Superconductor according to claim 12, characterized in that the superconductor has a nominal composition YBa₂Cu₃Ox.
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