Supraleitung und Tieftemperaturphysik 1
Superconductivity and Low Temperature Physics 1

Dieses Modul gibt einen fundierten Einblick in die faszinierenden Eigenschaften und Anwendungen von Supraleitern. Im Einzelnen werden folgede Themenbereiche behandelt:

• Geschichte der Supraleitung
• Grundwissen (supraleitende Materialien, Supraleiter im Magnetfeld, Typ-I und Typ-II Supraleiter, Thermodynamik)
• phänomenologische Beschreibung der Supraleitung (London- und Ginzburg-Landau Theorie)
• Fluss-Quantisierung, Josephson-Effekte, supraleitende Quanteninterferometer
• Grundzüge der BCS-Theorie
• kritische Ströme
• Grundwissen zur Hochtemperatur-Supraleitung
• Anwendungen der Supraleitung

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage:

• die historische Entwicklung des Forschungsgebiets der Supraleitung zu beschreiben.
• die grundlegenden Eigenschaften von Supraleitern zu benennen und ihre Bedeutung für mögliche Anwendungen darzulegen.
• das Verhalten von Supraleitern in einem externen Magnetfeld zu beschreiben und den Unterschied zwischen Typ-I und Typ-II Supraleitern zu erklären
• die thermodynamischen Eigenschaften von Supraleitern zu illustrieren.
• die grundelgenden Ideen der phänomenologischen Theorien (London-Theorie, Ginzburg-Landaa-Theorie) zur Beschreibung der Supraleitung wiederzugeben und ihre Ergebnisse zur Beschreibung der unendlichen Leitfähigkeit, des Meißner-Effekts, der Fluxoid-Quantisierung und der charakteristischen Längenskalen von Supraleitern zu verwenden.
• die Grundzüge der BCS-Theorie zu erklären.
• das Phänomen der Flusslinienverankerung zu beschreiben und seine Relevenz für die kritischen Ströme von Typ-II Supraleitern zu erklären.
• die grundlegenden Eigenschaften der Hochtemperatur-Supraleiter zu beschreiben.
• relevante Anwendungen der Supraleitung zu benennen.

Grundlegende Kenntnisse zur Physik der Kondensierten Materie und zur Quantenmechanik

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lerninhalte präsentiert (Tafelanschrieb, Beamer-Präsentation). Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen verschiedenen Themen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. In wissenschaftlichen Diskussionen werden die Studierenden mit einbezogen um so ihr analytisch-physikalisches Denkvermögen zu fördern.

In der Übung werden anhand von Problembeispielen und (Rechen-)Aufgaben die Lerninhalte vertieft und eingeübt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können.

Vorlesungsskript, Übungsblätter, ergänzende Literatur, PowerPoint-Folien, Filme, etc.

• Vorlesungsskript und Vorlesungsfolien
• R. Gross, A. Marx: Festkörperphysik
• Tinkham: Introduction to Superconductivity
• Fossheim, Sudbo: Superconductivity - Physics and Applications
• Buckel, Kleiner: Supraleitung
• de Gennes: Superconductivity of Metals and Alloys

Es findet eine mündliche Prüfung von etwa 25 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen und Beispielrechnungen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Welche grundlegenden Eigenschaften besitzen Supraleiter?
• Welche Familien supraleitender Materialien kennen Sie, welche maximalen Sprungtemperaturen besitzen diese?
• Beschreiben Sie den Unterschied zwischen einem perfekten Leiter und einem Supraleiter.
• Wie lauten die beiden London-Gleichungen, wie können sie hergeleitet werden, welche Eigenschaften von Supraleitern beschreiben sie?
• Erklären Sie die Fluss-Quantisierung in mehrfach-verbundenen Supraleitern. Wie wurde die Fluss-Quantisierung gemessen und was kann daraus gelernt werden?
• Beschreiben Sie die thermodynamischen Eigenschaften von Supraleitern (Magnetisierung, Entropiedichte, spezifische Wärme) und skizzieren Sie ihr Phasendiagramm.
• Diskutieren Sie den Unterschied zwischen Typ-I und Typ-II Supraleitern. Welche charakteristischen Magnetfelder zeigen diese Supraleiter?
• Welche charakteristischen Längenskalen besitzt ein Supraleiter und welche Bedeutung haben diese?
• Was versteht man unter dem Isotopen-Effekt bei Supraleitern, was kann man aus diesem Effekt lernen?
• Wir kann eine attraktive Wechselwirkung zwischen zwei Leitungselektronen in einem Metall entstehen?
• Welche möglichen Symmetrien gibt es für die Paarwellenfunktion?
• Beschreiben Sie die Grundzüge der BCS-Theorie.
• Was ist ein Josephson-Kontakt? Mit welchen grundlegenden Gleichungen kann er beschrieben werden?
• Diskutieren Sie die kritische Stromdichte von Typ-I and Typ-II-Supraleitern?
• Diskutieren Sie die charakteristischen Eigenschaften von Kuprat-Supraleitern.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.