Supraleiterverhalten in starken Magnetfeldern
Das EU-geförderte Projekt CONDMATH (Mathematical problems in superconductivity and Bose-Einstein condensation) hat das mathematische Verständnis der Phänomene der modernen Quantenphysik untersucht, insbesondere Supraleitung. Supraleitung wird in der Regel auch durch ein nicht-lineares Modell beschrieben, das von Ginzburg und Landau vorgeschlagen wird. Die Frage, die geblieben ist, betrifft das Verhalten von supraleitenden Materialien, wenn diese starken Magnetfeldern ausgesetzt werden. Frühere Experimente zeigten, dass, wenn Typ-II-Supraleiter schwachen magnetischen Feldern ausgesetzt werden, diese im global supraleitenden Zustand verbleiben. Bei einer kritischen Stärke des äußeren Magnetfeldes, HC1, wird Supraleitung auf einem bestimmten Punkt abgebrochen, wie Singularitäten, Wirbel genannt. Wenn die Stärke des Magnetfeldes auf einen zweiten kritischen Wert erhöht wird, HC2, wird die Supraleitung vollständig im Inneren zerstört und bleibt nur in einem schmalen Randbereich bestehen. Das dritte und letzte kritische Feld, HC3, stoppt Supraleitung vollständig. Das CONDMATH Projekt hat ein genaues Verständnis der aktuellen Rahmenbedingungen für Feldstärken beginnend unterhalb von HC2 bis HC3 geliefert. Im Gegenzug hat es ein vollständiges mathematisches Verständnis der physikalischen Phänomene geliefert, die zuerst in den 1950er Jahren beschrieben wurden. Die Forscher betrachtete ein kugelförmiges Objekt, das einem konstanten Magnetfeld ausgesetzt wird, das von 'Süden' nach 'Norden' auf das Objekt wird. Beginnend mit sehr starken Magnetfeldern und durch Verringerung ihrer Intensität berechneten CONDMATH-Mitglieder einen wohldefinierten Wert von HC3, bei dem Supraleitung in einem schmalen Bereich in der Nähe des "Äquators" des Balles vorkommen wird. Wenn die Intensität des Magnetfelds weiter abnimmt, wird die Supraleitung an der Grenze der Probe vorhanden bleiben aber in einer zunehmend größeren 'tropischen' Region. Für eine gegebene Magnetfeldstärke prognostizierten die Forscher des Projekts erfolgreich die Größe dieser "tropischen" Region. Das zweite kritische Feld, HC2, liegt dort, wo die "tropische" Region die "Pole" des Balles erreicht und wo Supraleitung beginnt, sich im Inneren der Kugel aufzubauen. Für Magnetfeldstärken, die leicht unter HC2 liegen, wird die Supraleitung im Inneren gleichmäßig schwach sein, aber sie wird sich langsam erhöhen, wenn das Feld reduziert wird. Supraleiter können die Effizienz jedes Instruments erhöhen, das Elektrizität oder Magnetismus verwendet, sobald der erforderlichen Temperaturbereich erreicht wird. Der wirtschaftliche Wert der Anwendungen in Elektronik, Energieversorgung, medizinischer Bildgebung, Transport und anderen Bereichen verdoppelt sich jetzt alle fünf Jahre. Verbesserungen in der Theorie der Supraleitung sind für jede neue Anwendung wichtig.
Schlüsselbegriffe
Supraleitung, Typ-II-Halbleiter, nichtlineares Modell, magnetisches Feld, Ginzburg-Landau-Modell
