Karl Müller (2013) - Model Synthesis for Ceramics: Superconductors, Magnets and Others

First of all I should like to thank the organising committee headed by Countess Bettina for getting me here as a physicist and the second physicist this morning. But I should like to say that the discovery of this superconductivity in the cuprate is a bit borderline case between physics and inorganic chemistry. And the motivation was the Polaron Concept. And just as a precursor to my talk which I am going to give I show you 2 transparencies to illustrate that now the concept which we had to find that the polarons are really there. So now I sit down before I fall down. One of the experiments which supported this polaron motion is the isotope effect. What is the isotope effect? It is if you replace the oxygen 16 by oxygen 18. You shift the transition temperature, TC here. And this TC is proportional to the mass of your ions in your samples time the exponent alpha. This is this coefficient. That is isotope exponent which is the logarithmic derivative of the observed temperature against the mass which you can measure. Now BCS theory tells you it must be a half. What has been recently been published looks like this. This was a collaboration with a young, Stephen Weyeneth. And what you see on this graph is the following. Here is the reduced temperature. So this is maximum temperature. And you go down by reducing the doping of the sample. And these are data on many of these cuprates from several groups. And this curve here is not a curve just to fit the data, but this is the theory of Kresin and Wolf. Kresin is at Berkeley and Vladimir Kresin... And Stuart Wolf is in Washington. Which they published in 1994. And people did not take much attention but you see that these measurements fit this curve very well. And you see up here this is the coefficient of 1. I told you before the coefficient of... In BCS there is a half, should be here. This has been measured in Switzerland by Rustem Khasanov and his group at the Paul Scherrer Institute in Switzerland. So many theories started because at optimum doping here the effect disappears, is zero. To assume if there are... The cause is electronic but this is one example which show you that it’s really polaronic. Now it is not the scope of my talk and therefore I think in the afternoon, 5 or half past 5, there is a half an hour and those among you who may be interested in that can... we can discuss that. Now let me get to my talk. The title is slightly changed a bit. It is “Photostimulated Solid State Synthesis of Oxide Materials”. And it was a collaboration between the Tbilisi State University with the people shown there. And I was also involved, the University of Zurich. I have to say that Alexander Shengelaya who is the head of this group by now is head of the physics department down there. Has been there for 5 years. Before he was 9 years in Zurich Switzerland running how the science is done in Switzerland. And this collaboration continued. Here you see the photograph. This is the entrance of the physics institute in Tbilisi in Georgia, Georgia which is as you know between Turkey and Russia. Here are 2 of us. This is Alexander Shengelaya at a time when I visited Tbilisi a bit more than a year ago. Now, what I am going to talk about is related to perhaps some of the interest here of inorganic chemists. And by now oxide is becoming quite important. At the time I was here the first time it was just when Count Bernadotte gave his responsibility over to Countess Silvia which is unfortunately not anymore among us and I am very sorry about that. She was very lively and having this meeting really in hand and developed it. So normally these oxides at a time when we found the superconductivity, the oxides were considered as dirty. And in fact the samples which Georg Bednorz and myself first did, we had 3 different oxides in it. And only one of them was superconducting. By now the standard of oxide chemistry has come practically up to the level which at the time silicon had and this for various application reasons. So what you generally do is to produce oxides which are complex -the superconductor ones are complex ones- by the direct reaction of a mixing of starting reagents at high temperature depending when the oxide melts of course. High temperature provides the necessary energy for the reactions. This is shown down here for the compounds lanthanum copper O4. This is the compound Georg Bednorz and myself found a quarter of a century ago. This is the oldest and simplest method to mix together the powdered reactants. In part you use carbonates of course, press the pellets and heat them for a period of time. Now, the new thing is the following. No, before that here you see a typical reaction. A diagram, this is for the YBCO compound where you heat it up. This is hours. You see these are hours. And I hope you see it even on the panel side. You heat it up say to 900 degrees and you keep it there for several hours. Then you keep it at this temperature and you cool it down. So the whole process for such a reaction takes of the order of 1.5 days, 38 hours. This is quite long. And this is the way you produce these oxides. Now, the new thing is the following. In Tbilisi they have such an oven which had halogen lamps here which you can irradiate, here is your sample. This is quartz tube. And here you can heat it. And colour temperature of your lamp is 3,200 degrees K. And what you are doing, you pulse with these halogen lamps this sample. And if you do that what happens? So this is synthesis of the original compound, lanthanum oxide. You put in some strontium on the place of the lanthanum because it is 2-valent and 3-valent. So this compound lacks charge. So it’s whole doped. And this is the size of the sample. And what happens is here. This is a typical measurement which you do. After the reaction here is the temperature. You cool it down and here is the magnetic moment which you measure. So here something starts, it’s becoming more negative. What does this mean? It means that the sample expels the magnetic field. This is known as the Meissner-Ochsenfeld effect, found in Germany in 1933. And this is without an outside magnetic field. These are 2 one time pulses at this temperature. And if you apply a magnetic field the susceptibility is smaller. The reason is that you trap some magnetic flux in the sample. However, from this susceptibility, this negative susceptibility, you can compute how much superconducting you got. And here for this sample you got 50%. Fine. Now you can do that in a systematic way. And what comes out is the following. So this was done in 20 seconds, before we had 1.5 days. And here is the x-rays. You are all familiar with x-rays, you see that the reflections and these stars are external phase. If you heat it just to 900 degrees you have more of this external phase. If you go to 1050 degrees you have less. So this is what the x-ray tells you. And now we compare what you can do with this new method to light irradiate the crystal without it. And here you see the results. This is for a time of 2 minutes. If you put the sample just in the oven you get practically no superconductivity. If at this various temperature you pulse with the light you see that you get 20% or 30% of susceptibility in your sample. So this was quite... we were quite happy about that. And the whole research was submitted in June. And I was very happy that last Monday, this Monday, I got from the publisher the agreement to publish our article which we have submitted. So it’s really new. This will be published in the Journal of Superconductivity and Magnetism. And by the acceptance Springer will put it in the internet. But so far you are the first to see these results. Now in the YBCO compound it was different that it didn’t work so well and because of that in addition to the illumination by this infrared light was added ultraviolet light. And you see that here. So you had the halogen lamps, I discussed before, here there are only 3. Here again the sample. And here you have the ultraviolet lamp which is indicated here, what it is. And by doing so applied to the YBCO compound which is most used for application. This is what was gotten in Tbilisi. Namely just furnace, you barely see any magnetism, any superconductivity. If you irradiate just with halogen there is an effect, this green thing. And if in addition you irradiate with ultraviolet light. You get here really a substantial superconducting compound of it. Now, oxides become more and more important in various ways. For instance there are compounds which show magnetic and electric effects. At the same time you can apply an electric field modulated magnetically and vice versa. This is one of these compounds, bismuth iron O3. And these are the x-rays of it. This is synthesised at 870 Kelvin for 5 minutes. So it works also there. Now the conclusions of this finding is, I read it down: The new method was found for photostimulated solid state reaction called PSSR of oxide materials. This method involves the irradiation of the mixture of starting oxides with light in a broad spectral range from infrared to ultraviolet with intensity sufficient to starting the solid state reaction. So using this method you can produce polycrystalline high temperature superconductors. You can produce magneto-electric effects. The outlook: I think there is a broad application because you can shorten the process of fabrication quite importantly like in magnets, in fuel cells, in solar cells, in catalysts. And what is the mechanism? We don’t know. Maybe somebody here of you find sufficient interest, try to find out why this functions. And of course you can apply it to thin films. And as an outlook I show you the cut of the films which are now produced, superconducting wires. This is shown here. You have on the bottom a textured tungsten alloy. This is to have stability in the whole thing. And then you have 1, 2, 3 buffer layers. These buffer layers are there to have a right orientation of the crystalline because here then the next layer, this is the YBCO compound layer. Because in order to have best current transport, the crystallines have to be aligned relatively well. In the moment the crystalline are rotated a bit, say 2, 3 degrees, the current transport capability is an order of 2 magnitude down. And then comes at the end here a silver layer. Here on top. Why silver? You have to adjust the oxide here in this YBCO compound, in the superconducting compound quite accurately. And silver is the only metal which transfers oxygen. And this makes it expensive. If somebody here finds another metal or alloy who transfers silver, he becomes very wealthy I tell you. So this is the layer. This is a second generation of these cuprates for cables. And with these wires they are now able in at least 2 or 3 factories to draw 1 kilometre long wires. And you can wind them up. Here is such a cable which you see down here. This is... you have electrical shielding. You have here electrical thermal insulation. Then here are these wires which I just showed you a cut. And through in the middle you send nitrogen because YBCO has a transition temperature of 90 Kelvin. And nitrogen is lower so with that you can cool it. And this appears to have some relevance. These cables will probably be used as DC cables. Why? Because you want to carry the electrical energy over long distances. Examples are: In China they are planning to have their solar panels, factories in the Gobi desert. And they want to use it in the region of Shanghai which is 3,500 kilometre away. And they have decided this technology. They come with DC and then they have to chop it. And this is not just plans. I have seen photographs of buildings where these choppers are already installed and are working. Furthermore, because these copper oxides contain rare earths, China has a large amount of rare earths so for them this is cheap. Another possibility is the Sahara. In Algeria they have been planning also large factories of solar cells. And again this is some 3 to 4,000 kilometres away from here, central Europe where it has to be used. So you have to transport it. There are various possibilities to transport this electric energy to here. And similar situation starts occurring in the United States where some of you who have been gambling in Las Vegas know that around it there is desert. And there you can install also solar thing. So in a way it looks to me like we are kind of having a transition between... at the beginning we had mills near rivers which were mechanically driven. Then came the invention of the dynamo by Werner von Siemens. And then you could produce your electrical power some place and use it a few hundred kilometres someplace else. And now, at least to me -I don’t know whether Doctor Chu would agree with me or not- there comes an era where this solar electric energy are produced some 3 or 4,000 kilometres away and has to be transported. Of course, this will have to be competed with other sources like oil or methane which you have also lines who come say from central Asia and here to Europe or from Azerbaijan with methane. But this perspective is a bit the same. It’s that you produce it or you bring it from some completely different area to some other ones. And I think, Mr. Chairman, I stop here and I wish everybody a nice day, thank you. Applause.

Zunächst einmal möchte ich mich bei dem von Gräfin Bettina geleiteten Organisationskomitee dafür bedanken, dass es mich als Physiker hierher eingeladen hat, als zweiten Physiker heute Vormittag. Aber vielleicht sollte ich sagen, dass es sich bei der Entdeckung dieser Supraleitung im Kuprat ein bisschen um einen Grenzfall zwischen Physik und anorganischer Chemie handelt. Und die Anregung kam vom Polaron-Konzept. Im Vorgriff auf meinen Vortrag zeige ich Ihnen zwei Folien, die Ihnen verdeutlichen sollen, dass das Konzept, das wir zu finden hatten, dass die Polaronen wirklich da sind. Ich setze mich jetzt lieber, bevor ich umfalle. Eines der Experimente, die diese Polaron-Bewegung stützten, war der Isotopeneffekt. Was ist der Isotopeneffekt? Es geht darum: Wenn man Sauerstoff-16 durch Sauerstoff-18 ersetzt, verschiebt man die Übergangstemperatur TC. Diese TC ist proportional zur Masse des Ions in den Proben mal dem Exponenten Alpha. Das ist dieser Koeffizient. Das ist der Isotopenexponent, bei dem es sich um die logarithmische Ableitung der beobachteten Temperatur im Vergleich zur Masse handelt, die man messen kann. Nun, die BCS-Theorie sagt uns, dass es ein halb sein muss. Die jüngsten Veröffentlichungen sehen so aus. Das war eine Zusammenarbeit mit dem jungen Stephen Weyeneth. Auf dieser Grafik sehen Sie Folgendes: Hier ist die reduzierte Temperatur. Das ist die Maximaltemperatur, die man verringert, indem man die Dotierung der Probe reduziert. Das sind Daten von verschiedenen Gruppen für viele dieser Kuprate. Diese Kurve hier passt nicht einfach nur zu den Daten; es handelt sich vielmehr um die Theorie von Kresin und Wolf. Kresin ist in Berkeley und Vladimir Kresin... Und Stuart Wolf ist in Washington. Sie veröffentlichten die Theorie im Jahr 1994. Man schenkte ihr keine große Aufmerksamkeit, aber Sie sehen, dass diese Messungen hervorragend in diese Kurve passen. Und hier oben sehen Sie den Koeffizienten von 1. Ich habe schon gesagt, dass der Koeffizient von... In der BCS ist es ein halb, das sollte hier sein. Das wurde von Rustem Khasanov und seiner Gruppe am Paul-Scherrer-Institut in der Schweiz gemessen. Viele Theorien hatten ihren Ursprung darin, dass der Effekt bei einer optimalen Dotierung verschwindet, er ist Null. Unter der Annahme... Die Ursache hierfür ist elektronisch, doch das ist ein Beispiel, aus dem klar wird, dass sie in Wahrheit polaronischer Natur ist. Das gehört zu meinem Vortrag, aber ich glaube, um fünf Uhr oder um fünf Uhr dreißig gibt es dafür eine halbe Stunde. Diejenigen unter Ihnen, die sich vielleicht dafür interessieren, können das... Wir können das erörtern. Nun zu meinem Vortrag. Der Titel hat sich geringfügig geändert; er lautet: „Photostimulierte Festkörpersynthese oxidischer Materialien.“ Es war eine Zusammenarbeit zwischen der staatlichen Universität Tiflis und den Personen, die Sie hier sehen. Ich war auch beteiligt, Universität Zürich. Alexander Shengelaya, der diese Gruppe leitet, leitet mittlerweile dort unten den Fachbereich Physik. Er war fünf Jahre dort. Zuvor war er neun Jahre lang in Zürich, um zu sehen, wie die Wissenschaft in der Schweiz betrieben wird. Und diese Zusammenarbeit wird fortgesetzt. Hier sehen Sie die Fotografie; das ist der Eingang zum physikalischen Institut in Tiflis, Georgien. Georgien liegt, wie Sie wissen, zwischen der Türkei und Russland. Hier sind zwei von uns. Das ist Alexander Shengelaya vor etwas mehr als einem halben Jahr, als ich Tiflis besuchte. Das, worüber ich sprechen werde, weist Beziehungen auf zu... Ist vielleicht für einige der anorganischen Chemiker hier interessant. Oxid wird mittlerweile sehr wichtig. Als ich zum ersten Mal hier war, übertrug Graf Bernadotte gerade seine Aufgaben an Gräfin Silvia, die leider nicht mehr unter uns ist, was mir sehr leid tut. Sie war voller Tatendrang, hatte dieses Treffen in der Hand und entwickelte es weiter. Zu jener Zeit, als wir die Supraleitung fanden, galten die Oxide als schmutzig. Tatsächlich wiesen die Proben, die Georg Bednorz und ich zuerst behandelten, drei verschiedene Oxide auf. Und nur eines davon war supraleitfähig. Mittlerweile befindet sich der Standard der Oxidchemie auf praktisch demselben Niveau, auf dem sich damals Silikon befand, was auf verschiedene Anwendungen zurückzuführen ist. Im Allgemeinen produziert man komplexe Oxide – und die supraleitfähigen sind komplex – durch die direkte Reaktion einer Mischung von Ausgangsreagenzien bei hoher Temperatur, die natürlich davon abhängt, wann das Oxid schmilzt. Die hohe Temperatur liefert die für die Reaktionen erforderliche Energie. Hier unten wird das für das für die Verbindung Lanthan-Kupfer-O4 gezeigt. Das ist die Verbindung, die Georg Bednorz und ich vor einem Vierteljahrhundert fanden. Es ist die älteste und einfachste Methode, die pulverisierten Reagenzien zusammenzumischen. Teilweise verwendet man natürlich Karbonate; man presst das Granulat zusammen und erwärmt es für einen längeren Zeitraum. Das Folgende ist neu. Nein, vorher sehen Sie eine typische Reaktion. Ein Diagramm, hier für die Verbindung YBCO, während sie erwärmt wird. Das sind Stunden. Sie sehen, das sind Stunden. Ich hoffe, an den Seiten sieht man das auch. Man erhitzt die Verbindung, sagen wir auf 900 Grad, und hält sie mehrere Stunden bei dieser Temperatur. Dann kühlt man sie wieder ab. Der ganze Prozess für eine derartige Reaktion dauert etwa eineinhalb Tage, 38 Stunden. Das ist ziemlich lang. So stellt man diese Oxide her. Nun – jetzt kommt das, was neu ist. In Tiflis haben sie einen Ofen mit Halogenlampen, die man bestrahlen kann. Hier ist die Probe; das ist eine Quarzröhre. Und hier kann man das Ganze erwärmen. Die Farbtemperatur der Lampe liegt bei 3.200 Grad K. Und man pulst die Probe mit diesen Halogenlampen. Wenn man das tut, was geschieht dann? Das ist eine Synthese der ursprünglichen Verbindung, Lanthanoxid. An die Stelle des Lanthans gibt man etwas Strontium, da es 2-wertig und 3-wertig ist. Diese Verbindung weist also keine Ladung auf; sie ist vollständig dotiert. Das ist die Größe der Probe. Und was geschieht, sehen Sie hier. Das ist eine typische Messung, die man nach der Reaktion vornimmt. Hier ist die Temperatur; man kühlt das Ganze ab, und hier ist das magnetische Moment, das gemessen wird. Hier fängt etwas an, es wird stärker negativ. Was bedeutet das? Es bedeutet, dass die Probe das Magnetfeld verdrängt. Das ist der sogenannte Meißner-Ochsenfeld-Effekt, der 1933 in Deutschland entdeckt wurde. Hier gibt es kein äußeres Magnetfeld. Das sind zwei einmalige Impulse bei dieser Temperatur. Und wenn man ein Magnetfeld anlegt, ist die Empfindlichkeit geringer. Der Grund hierfür liegt darin, dass man etwas Magnetfluss in der Probe einfängt. Anhand dieser Empfindlichkeit, dieser negativen Empfindlichkeit kann man berechnen, wie viel Supraleitung man hat. Für diese Probe hier haben wir 50 %. Gut. Jetzt kann man das systematisch machen. Folgendes kommt dabei heraus: Das schaffte man in 20 Sekunden; vorher brauchte man eineinhalb Tage. Hier sind die Röntgenstrahlen. Sie alle kennen sich mit Röntgenstrahlen aus, Sie sehen, dass die Reflexionen und diese Sternchen in der äußeren Phase sind. Wenn man das Ganze auf 900 Grad erwärmt, hat man mehr von dieser externen Phase. Wenn man auf 1050 Grad geht, hat man weniger. Das erzählen uns die Röntgenstrahlen. Und jetzt vergleichen wir das, was man mit dieser neuen Methode anstellen kann, mit der Lichtbestrahlung des Kristalls ohne diese Methode. Hier sehen Sie die Ergebnisse. Das steht für zwei Minuten. Wenn man die Probe in den Ofen gibt, erhält man praktisch keinerlei Supraleitung. Wenn man bei diesen unterschiedlichen Temperaturen mit dem Licht pulst, sieht man, dass man in der Probe eine Empfindlichkeit von 20 oder 30 Prozent erhält. Das war ziemlich... Wir waren ziemlich glücklich darüber. Die ganze Forschungsarbeit wurde im Juni eingereicht. Und ich habe mich sehr darüber gefreut, dass ich am letzten Montag, an diesem Montag die Zustimmung des Verlegers zur Veröffentlichung des von uns eingereichten Artikels erhalten habe. Das ist also wirklich neu. Veröffentlicht wird der Artikel im Journal of Superconductivity and Magnetism. Und da er angenommen wurde, wird er von Springer ins Internet gestellt. Bis jetzt aber sind Sie die ersten, die diese Resultate gesehen haben. Bei der YBCO-Verbindung war es anders. Es funktionierte nicht so gut, und deshalb wurde der Beleuchtung durch Infrarotlicht ultraviolettes Licht hinzugefügt. Sie sehen das hier. Man hatte die Halogenlampen; ich hatte sie vorhin erläutert – hier sind nur drei. Hier ist wieder die Probe. Und hier haben Sie die Ultraviolett-Leuchte; hier ist angegeben, was das ist. Und die Anwendung auf die YBCO-Verbindung, die am häufigsten herangezogen wird... Das kam in Tiflis heraus. Nämlich nur der Ofen; man sieht kaum Magnetismus oder Supraleitung. Wenn man nur mit Halogen bestrahlt, gibt es einen Effekt, diese grüne Linie. Und wenn man daneben mit Ultraviolettlicht bestrahlt, erhält man daraus eine ganz erheblich supraleitfähige Verbindung. Oxide werden in verschiedener Hinsicht immer wichtiger. Zum Beispiel gibt es Verbindungen, die magnetische und elektrische Effekte zeigen. Gleichzeitig kann man ein magnetisch moduliertes elektrisches Feld anlegen und umgekehrt. Das ist eine dieser Verbindungen, Wismut-Eisen-O3. Das sind Röntgenstrahlen davon. Das wurde bei 870 Kelvin fünf Minuten lang synthetisiert. Also funktioniert das dort auch. Die Schlussfolgerungen aus diesen Erkenntnissen lauten wie folgt – ich lese vor: Die neue Methode wurde für die photostimulierte Festkörperreaktion namens PSSR von oxidischen Materialien entwickelt. Diese Methode beinhaltet die Bestrahlung der Mischung von Ausgangsoxiden mit Licht eines breiten Spektralbereichs von infrarot bis ultraviolett in einer für die Auslösung der Festkörperreaktion ausreichenden Intensität. Durch diese Methode kann man also polykristalline Supraleiter von hoher Temperatur herstellen. Man kann magnoelektrische Effekte hervorrufen. Der Ausblick: Ich glaube, die Bandbreite von Anwendungen ist. Man verkürzt den Prozess der Herstellung, vor allem bei Magneten, Brennstoffzellen, Solarzellen, Katalysatoren. Und wie sieht der Mechanismus aus? Das wissen wir nicht. Vielleicht ist jemand von Ihnen interessiert genug und versucht herauszufinden, warum das funktioniert. Und natürlich kann man das für dünne Schichten verwenden. Als Ausblick zeige ich Ihnen einen Schnitt durch die Filme, die jetzt hergestellt werden – supraleitende Drähte. Sie sehen das hier. Unten ist eine strukturierte Wolframlegierung; sie dient der Stabilisierung des Ganzen. Dann kommen eins, zwei, drei Pufferschichten. Diese Pufferschichten dienen der richtigen Orientierung des Kristallins, denn die nächste Schicht hier, das ist die Schicht der YBCO-Verbindung. Wenn man den besten Stromtransport haben will, müssen die Kristalline relativ gut ausgerichtet sein. In dem Moment, in dem die Kristalline ein bisschen gedreht werden, sagen wir um zwei, drei Grad, verringert sich die Stromtransportfähigkeit um die Größenordnung 2. Und hier am Ende kommt eine Silberschicht. Hier, ganz oben. Warum Silber? Man muss das Oxid hier in dieser YBCO-Verbindung, in der supraleitenden Verbindung, sehr genau einstellen. Und Silber ist das einzige Metall, das Sauerstoff überträgt. Das macht es natürlich teuer. Wenn jemand von Ihnen ein anderes Metall oder eine andere Legierung findet, die Silber überträgt, wird er sehr reich, das sage ich Ihnen. Das ist also die Schicht. Das ist eine zweite Generation dieser Kuprate für Kabel. Mit diesen Drähten ist man jetzt in mindestens zwei oder drei Fabriken in der Lage, Drähte von einem Kilometer Länge zu ziehen, und man kann sie aufwickeln. Hier ist so ein Kabel; sie sehen es dort unten. Das ist... Es hat eine elektrische Abschirmung; hier ist die elektrische Wärmedämmung. Hier sind diese Drähte, die ich Ihnen gerade im Schnitt gezeigt habe. Und durch die Mitte wird Stickstoff geleitet, denn YBCO hat eine Übergangstemperatur von 90 Kelvin. Die von Stickstoff ist geringer; man kann es also damit kühlen. Das scheint von einiger Bedeutung zu sein. Diese Kabel werden wahrscheinlich als Gleichstromkabel verwendet. Warum? Weil man die elektrische Energie über große Entfernungen transportieren möchte. Beispiele: In China plant man Solarzellenkraftwerke in der Wüste Gobi. Der Strom soll in der Gegend von Shanghai genutzt werden, 3.500 Kilometer entfernt. Man hat sich für diese Technik entschieden: Der ankommende Gleichstrom wird zerhackt. Das sind nicht nur Pläne. Ich habe Fotos von Gebäuden gesehen, in denen diese Gleichstrom-Zerhacker bereist installiert sind und ihren Dienst verrichten. Außerdem enthalten diese Kupferoxide seltene Erden. China hat seltene Erden in großen Mengen; für sie ist es also billig. Eine weitere Möglichkeit ist die Sahara. In Algerien wurden ebenfalls große Solarzellenkraftwerke geplant. Auch das ist etwa drei- bis viertausend Kilometer entfernt von hier, von Mitteleuropa, wo der Strom genutzt wird. Man muss ihn also transportieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Strom hierher zu transportieren. Eine ähnliche Situation zeichnet sich gerade in den Vereinigten Staaten ab. Einige von Ihnen haben vielleicht schon einmal ihr Glück in Las Vegas versucht und wissen, dass das mitten in der Wüste liegt. Auch hier kann man Solarzellen installieren. In gewisser Weise kommt mir das vor, als befänden wir uns in einer Übergangsphase... Am Anfang hatten wir Mühlen an Flüssen, die mechanisch angetrieben wurden. Dann erfand Werner von Siemens den Dynamo. Danach konnte man den elektrischen Strom an einem Ort erzeugen und ihn einige hundert Kilometer entfernt an einem anderen Ort nutzen. Und jetzt kommt eine Ära – jedenfalls in meinen Augen, ich weiß nicht, ob Doktor Chu mir da zustimmen würde –, in der Sonnenenergie drei- oder viertausend Kilometer vom Einsatzort entfernt erzeugt wird und transportiert werden muss. Natürlich muss sich das dem Wettbewerb mit anderen Quellen wie Öl oder Methan stellen; auch hier hat man Leitungen, die aus Zentralasien oder – mit Methan- aus Aserbaidschan nach Europa führen. Doch der Blickwinkel ist ziemlich der gleiche. Man produziert die Energie oder bringt sie weit entfernten Regionen in andere Gebiete. Herr Sitzungsleiter, ich denke, ich mache hier Schluss. Ich wünsche allen noch einen schönen Tag, vielen Dank. Beifall

Karl Müller (2013)

Model Synthesis for Ceramics: Superconductors, Magnets and Others

Karl Müller (2013)

Model Synthesis for Ceramics: Superconductors, Magnets and Others

Abstract

The discovery of superconductivity in hole doped La2CuO4 was motivated by the interest to find this phenomenon in an oxide. After the discovery near 35 K, copper oxides with transition temperatures of up to 131 K at normal pressure were found, i.e. above the boiling temperature of inexpensive liquid nitrogen. Therefore the interest in applications rose quickly. These occur in two different areas: In the weak current field as e.g. high Q resonators in communications or SQUIDS (Superconducting Quantum Interferometers) for accurate magnetic field detection. The other prospect was the high current field, as in generators of large magnetic fields, current transport in cables or current limiters to protect generators, to name just a few of the more important applications.

Early on it became clear what the requirements for the superconducting cuprates are: pure phases, oriented crystallites for optimum superconducting current and the necessity to overcome the notorious brittleness of oxides. Over the past quarter of the last century this goal has been met by a global effort in many laboratories to such an extent that it is comparable to the quality achieved in semiconductor technology, especially for silicon. At the start, to reach such a high degree of technology, it appeared an impossible reachable goal. The products who meet these requirements have as a consequence a price. For the low current applications where there are no alternatives to the superconducting devices - such as square filters in communications or the sensitivity of SQUIDS - the price is not impeding their use. Also the HTS superconductor is deposited on a rigid surface and not prone to mechanical strain. The latter situation is considerably different in large current applications where the current is carried in more or less flexible cables.1)

In the latter case two methods have been developed, the first one based on a nearly conventional drawing process and the other on thin film deposition. The first consists of introducing the HTS Material in powder form in a silver tube, which is then drawn in successive steps and annealed. The first generation wires were manufactured by this “Powder In Tube” i.e. PIT method. It is restricted to the Bi–Cuprates because the crystals cleave easily. Cleavage takes place during drawing between neighboring BO planes weakly bound by van der Waals forces. Platelets having their large faces parallel to the CuO2 planes are formed. Current in the planes flows parallel to the platelets, and passes from one platelet to another through their larger faces. Multi-filamentary Bi-2223 and Bi-2212 wires and tapes are commercially produced in kilometer lengths 2). The second method consists of growing HTS films on suitably oriented substrates. It is used for YBCO or the “123” family cuprates which do not cleave easily. The reduced anisotropy of YBCO makes it a more desirable superconductor than the Bi-2223 or 2212 because of the better vortex pinning. Here contact occurs between YBCO grains and is only through alignment of the grains present. It requires hetero-epitaxial growth on well oriented substrates. Manufacturing these “coated conductors” involves deposition of up to a dozen different layers starting with i.e. NiW alloy tapes or Haste alloy. The RABITS (Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate), or the IBAD (Ion Beam Assisted Deposition) methods to which various “buffer” layers are added 2).

To reach optimal current carrying properties in either, the powder in tube or the RABITS and IBAD processes requires a careful adjustment of the oxygen content of the doped cuprate used. This is carried out by letting the strand transverse a sequence of regions at various temperatures, and implies long-term (for tens of hours) heating of reactants in powder form at high temperatures (800º-1200ºC) in a furnace, which is a highly time and energy consuming process and increases product costs. Therefore there is a significant effort to develop technologies to considerably reduce the solid state reaction temperature and time. Here it appears that a novel formation procedure discovered at the Tiblissi State University in Georgia under the leadership of Prof. Alexander Shengelaya may be employed, especially in the production with the RABBIT or IBAD technologies: In a collaboration of the group of Shengelaya and the chemistry department in Tiblissi a solid state synthesis of oxide materials was found, which enables a dramatic increase of the reaction speed along with lowering the temperature of the reaction. This method involves the irradiation of the mixture of starting oxides by light in a broad spectral range from infrared to ultraviolet with intensities sufficient for starting the solid state reaction between the reagents contained in the powder mixture. It was shown that the rate of the resulting reaction exceeds the conventional thermal solid state reaction rate in a furnace by about two orders of magnitude in thin film HTS materials 3). This novel reaction method can as well be used to produce thin film magnetic materials. Because oxides become more and more important in other applications e.g. in catalysis it may receive sufficient attention.

1.A. P. Malozemoff, J. Mannhart, and D. Scalapino, Physics Today April 2005 p.41, Am. Inst. of Physics S-0031-9228-0504-020-2 

2. G. Deutscher, New Supereconductors. World Scientific Publ. Co. Pte. Ltd. 2006 New Jersey etc. Chapter 9. Page 189 & ff.

3. A. Shengelaya1, D. Daraselia1, D. Japaridze1, Z. Jibuti1, K. A. Müller2, to be submitted for publication 2013 and int. patent application 15. Jan. 2013.

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