El mundo que descubrió H.Kamerlingh Onnes. Sebastián Vieira

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1 El mundo que descubrió H.Kamerlingh Onnes Sebastián Vieira

2 There s Plenty of Room at the Bottom Richard P. Feynman December 1959 What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale. I imagine experimental physicists must often look with envy at men like Kamerlingh Onnes, who discovered a field like low temperature, which seems to be bottomless and in which one can go down and down. Such a man is then a leader and has some temporary monopoly in a scientific adventure.

3 CENTENARIO DE LA LICUEFACCIÓN DEL HELIO DEL SOL AL CERO ABSOLUTO SEBASTIÁN VIEIRA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID T=0 K The image shows emission from ionized helium at about ºC ). Sevilla 2008

4 BREVE HISTORIA DEL HELIO Descubierto en el sol por métodos espectroscópicos por Frankland, Lokyer y Janssen en Lokyer, al que generalmente se asocia el descubrimiento, lo denominó Helio En 1895 W.Ramsay lo descubre en la tierra ocluido en un mineral: la clevita En 1905 Cady y McFarland lo encuentran en cantidades notables en un yacimiento de gas natural en Dexter (Kansas) En 1908 H.Kammerlingh Onnes licúa el helio en Leiden (Holanda) Cien años fascinando a los físicos En 2008 la comunidad científica conmemora el centenario de un logro que abrió las puertas al mundo de las bajas temperaturas

5 One of the largest prominences ever seen. Lockyer 6-inch telescope. Sir Joseph Norman Lockyer

6 En 1895 W.Ramsay lo descubre en la tierra ocluido en un mineral: la clevita William Ramsay ( ) is known for work that established a whole new group in the periodic table variously called over time inert, rare, or noble gases

7 Templo del Fuego eterno Baku -Azerbaiyán The American Chemical Society designated the discovery of helium in natural gas as a National Historic Chemical Landmark at The University of Kansas on April 15, The plaque commemorating the event reads: Working in Bailey Hall on December 7, 1905, Hamilton P. Cady and David F. McFarland discovered significant amounts of helium in a natural gas sample from Dexter, Kansas. Cady and McFarland subsequently analyzed more than 40 other gas samples, showing that helium, previously thought to be rare on Earth but abundant in the Sun, was available in plentiful quantities from the Great Plains of the United States. Helium-filled blimps were vital to the United States in World War II, and helium is still considered a national strategic reserve material. Today, helium is used in airships and balloons, low-temperature research, arc welding, lasers,nuclear reactors, and magnetic resonance imaging.

8 El He se produce en la corteza terrestre por desintegración radioactiva del U y otros elementos, escapándose de la atmósfera dada su pequeña masa. La concentración en la atmósfera es 5 ppm. Afortunadamente se encuentra en algunos yacimientos de gas natural, con una abundancia del 0.3%. Dada su escasez es un material estratégico cuya importancia tecnológica va en aumento continuo.

9 La guerra del frío

10 Sir James Dewar Heike Kamerlingh-Onnes

11 Teoría de Drude (1900) 2 σ = e n mν R( T ) = ρl S ρ( T ) = 1 σ ( T ) Dewar en el laboratorio

12 a p + 2 (v b ) = RT v Pr + 2 Vr = Tr 3 3 Vr Pr = p pc Vr = v vc Tr = T Tc Ecuacion de los estados orrespondientes de Van der Waals

13 Efecto Joule-Thomson o Joule-Kelvin, en el que se basa el método regenerativo de Linde y Siemens para la licuefacción de gases U i + PV i i = U f + PV f f H i = H f

14 ( ) P P Como P P RTb a C b T T C b RT a C P T f i f i i P i f P P H 2 1 proceso : varían poco en el T y Si 2 1 > Gas de van der Waals p + a ( ) RT b V V a p = + 2 Rb a T T T Rb a T T T Rb a T P P Como inv i f i i f i f i 2, 2 Si, 2 Si = < < > > > + 2 V p

15 Curva de inversión Esquema del método regenerativo de Siemens y Linde para licuar gases, basado en la expansión Joule-Kelvin

16 Produciendo oxígeno líquido mediante expansiones Joule-Kelvin, con el método de Siemens-Linde

17 Dewar haciendo una demostración de la licuefacción del hidrógeno, en la celebración del centenario de la Royal Institution. Londres 1899 ( Óleo de Henry Jamyn Brooks)

18 Método de licuefacción en cascada de K-O

19 Esquema del licuefactor de K-O, con el criostato de experimentación incorporado Monacita-Ce (Ce, La, Pr, Nd, Th, Y)PO4 K-O, dispuso de 360 litros de helio gaseoso a NTP obtenido de arena de monacita. Usaba 200 l, y guardaba 160 l de reserva. Durante varios años, solo dispuso de este helio

20 El vencedor de la guerra del frío: KO

21 La explotación del éxito

22 8 de abril de K-O anota en su cuaderno dos observaciones que se corresponden con comportamientos peculiares de dos fluidos cuánticos: el helio superfluido y el condensado superconductor.!dos transiciones cuánticas diferentes, en el mismo día y en el mismo experimento! Justo antes de alcanzar la temperatura más baja (alrededor de 1.8 K) la ebullición cesó repentinamente, y fue reemplazada por evaporación al mismo tiempo que, de forma visible, el líquido se contrajo. O sea, una evaporación fuerte en la superficie

23 Ecuación de Clausius- Clapeyron dp dt Sl Ss = V V l s Batería de 16 bombas difusoras de vidrio usada por K-O en 1921 para bombear el helio líquido. Alcanzó la temperatura record de 0.83 K. Pero el helio no se solidificó

24 F. London: Helium I is a quantum liquid blown up by its zero point motion

25 p x h E 0 = 150d cal 2 ( R 0.891d ) ( R d ) mol V R = N 1 3 F.London 1936 d

26 Diagrama de fases del 4 He

27 La V invertida es la muestra de Hg. Se midió con el método de cuatro terminales con cables de Hg para tensión y corriente

28 Los dos últimos párrafos de la conferencia dada por H.Kamerlingh-Onnes cuando recibió el premio Nobel en 1913

29 Temperaturas y fenómenos físicos (I) T (K) si 1 cm = 50 K... Estrellas de neutrones (10 9 K, Una a 200 escala km) lineal no representa Corona solar (10 6 K, a 200 m) bien la relación entre temperatura Superficie solar (5 x 10 3 K, a 1 y m) fenómenos físicos: Filamento de una bombilla (2000 K, a 20 cm) Punto de fusión del oro (1330 K, a 7 cm) Punto de fusión del plomo (600 K) Ley de Feynman: S = Q T densidad de fenómenos físicos interesantes logt 300 Procesos biológicos (vida en la Tierra) Superconductores de alta temperatura crítica Bajas temperaturas. Helio líquido (4.2 K, < 1 mm)

30 Temperaturas y fenómenos físicos (II) T (K) Interior de las estrellas más calientes Energía nuclear Corona solar Materia ionizada (plasma) Superficie solar Filamento de una bombilla / Punto de fusión del hierro Procesos biológicos (vida en la Tierra) Superconductores de alta temperatura crítica Punto de ebullición del nitrógeno (77 K) Puntos de ebullición del 4 He y 3 He (4.2 K) Transición del 4 He superfluido Efecto Kondo Transiciones superconductoras en fermiones pesados Transición superconductora en tungsteno Ordenamiento magnético en 3 He sólido Transición del 3 He superfluido Transición superconductora en rodio (la más baja conocida) Menor temperatura conseguida (en materia sólida) Transición de fase en el cobre Menor temperatura conseguida (subsistema de nuclear del cobre) Condensado Bose-Einstein Bajas Temperaturas

31 Las excitaciones elementales Los fluidos cuánticos

32 Ideas de Landau A.F.Andreev (Escuela Nicolás Cabrera 2008)

33 En los gases y en los líquidos ordinarios las excitaciones elementales corresponden al movimiento individual de las partículas La solidificación viene acompañada por una transición, desde el tipo individual a un tipo colectivo, de las excitaciones elementales

34 Ideas de Landau El He es el único líquido que no solidifica, permaneciendo líquido en el cero absoluto Tiene dos opciones: Opción 1: Las excitaciones elementales corresponden al movimiento individual de las partículas hasta T=0 K Opción 2: Una transición en el tipo de movimiento térmico, que pasa de individual a colectivo, ocurre en el líquido sin que solidifique. Todas las propiedades del líquido superfluido pueden explicarse con la opción 2

35 Los fluidos cuánticos Carácter ondulatorio de la materia Comportamiento determinado por Indistinguibilidad La LUZ y el SONIDO I.) a >> λ a λ II.) a λ a λ

36 Comportamiento determinado por 1 Los fluidos cuánticos Sistema de partículas a una temperatura T m v = kbt T = Carácter ondulatorio de la materia Indistinguibilidad h 3mk 2 2 Bλ p=mv=h/λ 1 2 Cuándo se manifiesta la onda? Condición II.) a λ 0 T h 3mk 2 B a 2 T T 0, temperatura de degeneración Ejemplo: electrones en sólidos y líquidos Ejemplo: átomos en sólidos y líquidos a ~ 3 ó 2 Å m e ~ kg T K T 0 50 A A es el número átomico

37 Comportamiento determinado por 2 Indistinguibilidad Los fluidos cuánticos Carácter ondulatorio de la materia Indistinguibilidad Modelo: N partículas no interaccionantes. En una caja de volumen V. En equilibrio térmico a una temperatura T Descripción: 1 2 Clásica Cuántica Partículas distinguibles Energía: variable continua Partículas indistinguibles Energía: valores discretos, tanto más juntos cuanto mayor es V Comportamiento según espín Entero -> Bosones Semi-entero -> Fermiones

38 2. 4 He superfluido b. Condensación de Bose-Einstein. Estadísticas cuánticas Los fluidos cuánticos Número medio de partículas por estado Energía del estado T < T B Energía del estado V λt f ; T ptc N V λt p ; T ftc N T > T B Fermi-Dirac Bose-Einstein T B N 0 2 h = 11.9mk Usando datos del 4 He líquido T B = 3.1K T = 2. 17K λ B N V T = N 1 TB

39 3 He superfluido (1972)

40

41 A la búsqueda de las aplicaciones: Imanes superconductores Las corrientes permanentes

42 At the Third International Congress of Refrigeration, held in Chicago in September 1913, Onnes predicted that superconductivity would enable the production of coils that could generate fields (100,000 gauss or 10 T) well in excess of that possible by conventional conductors In a footnote to his Chicago address, he observed that a 0.05 T (500 gauss) field, In a footnote to his Chicago address, he observed that a 0.05 T (500 gauss) field, developed in a simple superconducting solenoid, was sufficient to revert the superconductor to its normal state. By 1914 Leiden had produced curves of resistance as a function of applied field and had developed an empirical fit to the temperature dependence of the critical field (H c ): H c (T) = H c0 (1-(T/T c )²).

43 Campo magnético crítico

44 DESCUBRIMIENTO DE LA SUPERCONDUCTIVIDAD B ext Efecto del campo magnético. Conductor Ideal (R=0) T C T cooling B ext =0 B ext =0 B ext 0 B ext T < T C cooling T C B ext B ext B ext 0

45 Comportamiendo de un anillo de un conductor cuya resistencia se anula a T c T>T c T<T c r r B rote = t r r E = J σ r B σ, = 0 t Ley de Faraday Ley de Omh

46

47 Kammerlingh Onnes, fue un pionero creando un gran centro científico

48 El laboratorio de Leiden se convierte en un gran centro científico Kamerlingh Onnes, Niels Bohr, Lorentz en Paul Ehrenfest

49 En 1921 Albert Einstein fue nombrado profesor extraordinario en Leiden.

50 Las bajas temperaturas en España y en la UAM

51 SUPERCONDUCTIVIDAD Kamerlingh Onnes, H. and J. Palacios Martinez, Vapor pressure of hydrogen and new determinations in the liquid hydrogen region (in Spanish) Anales de la Real Sociedad Española de Fisica y Quimica., : p Blas Cabrera J. Palacios Martínez Nicolás Cabrera

52 Profesor D. Nicolás Cabrera ( ) Nicolás Cabrera Sánchez: Un físico creador y organizador

53 Los tiempos heroicos. El LBTUAM en los años setenta del siglo XX

54 El SEGAINVEX y el servicio de criogenia de la UAM

55 The SEGAINVEX team (headed by M. Pazos) LBTUAM works for industry (e.g. EADS) LBTUAM belongs to REDLAB (lab nr 287)

56 El primer criostato de He3 en el LBTUAM

57 Un refrigerador de dilución de He3 en He4

58 LBTUAM Programas de investigación europeos, nacionales y regionales Colaboración con grupos teóricos Acceso a grandes instalaciones 100 First cool down Punto frío a 7mK con 0.4mW de capacidad de enfriamiento a 100mK Una de las mayores capacidades de enfriamiento que se pueden obtener con la tecnología actual. Temperature (K) Present base temperature : 8 mk Time (hours)

59 Más allá de KO Cuando el helio líquido dejó de ser un monopolio de Leiden

60 Superfluidez: El helio líquido, para T<T λ, fluye sin viscosidad. Kapitza1938

61 1933 Karl Walther Meissner Descubrimiento del efecto de expulsión del campo magnético en los superconductores ( Efecto Meissner-Ochsenfeld ) B=0 en el superconductor, Independientemente de cómo se llegue a T < T C - efecto Meissner, diamagnetismo perfecto B ext

62 Efecto del campo magnético. Superconductor cooling T C B ext =0 B ext =0 B ext B ext 0 T < T C cooling T C B ext B ext B ext 0

63 Las corrientes atómicas y las corrientes estacionarias macroscópicas en los anillos superconductores

64 OTRAS PROPIEDADES Y MATERIALES SUPERCONDUCTORES Elementos superconductores Bajo presión atmosférica Bajo alta presión El más reciente: Litio. Tc = 20 K con P = 48 GPa. Shimizu et al, (Osaka University, Japón) Nature 419, 597 (2002)

65

66 Evolución en la temperatura crítica K Hg 0.8 Tl 0.2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 8+d Temperatura crítica (K) K 1911 Hg Tipo II PbTl 2 125K 1988 Tl x Sr x Ba x Cu x O x 110K 1987 BiCaSrCu 2 O 9 92K 1986 YBa 2 Cu 3 O 7 Nb 3 Sn 18K(1961) 23K 1973 Nb 3 Ge MgB 2 35K 1986 LaBaCuO Siglo XXI : Nuevos materiales, nanoestructuras superconductoras, RTS (?)

67 Un largo camino para comprender la superconductividad El gran precursor y unificador Fritz London 1935 La década de los cincuenta V.L. Ginzburg y L.D. Landau 1950 J.Bardeen, L. Cooper y R. Schrieffer 1957 A. Abrikosov 1957

68 Las ecuaciones de London expresan condiciones especiales obedecidas por las supercorrientes λ = L µ m 2 0nse λ L Longitud de penetración magnética de London

69 Normal Superconductor µ 0 H c b (x) ψ(x) ψ 0 λ ξ Longitudes carácterísticas: λ y ξ x Energía de la interfase N-S δ = ξ λ σ σ N S N S = = ( g ) s, b gn 1 µ 0H 2 2 c dx δ Parámetro de G.L κ=λ/ξ

70 Tipo I: λ «ξ ; κ «1 1 2 δ>0 σn S = µ 0Hcδ 0 2 Normal µ b (x) 0 H c ψ 0 λ ξ ψ(x) Superconductor g (x) x

71 Tipo II: λ» ξ ; κ» δ<0 σn S = µ 0Hcδ 0 2 Normal µ b (x) 0 H c ψ 0 λ ξ ψ(x) Superconductor g (x) x

72 Superconductividad Superconductividad y magnetismo TIPO I Efecto Meissner Diamagnetismo perfecto TIPO II Estado mixto Vórtices H H c N s H H H c2 H c N s s s s H S 0 T c T 0 H c1 S T c T Universidad Autónoma de Madrid Universidad Autónoma de Madrid Laboratorio de Bajas Temperaturas

73 Superconductividad Superconductividad y magnetismo Φ0 ε = 4πλ 2 λ ln ξ Superconductor de tipo II: Red de Abrikosov 2λ Núcleo del vórtice r < ξ donde (r) es suprimido Region en la que circulan supercorrientes, r < λ. Cada vórtice es atravesado por la unidad cúantica de fluljo φ 0 2ξ Red de Abrikosov d d(nm) = 50 H(T) Universidad Autónoma de Madrid Universidad Autónoma de Madrid Laboratorio de Bajas Temperaturas

74 Hitos en la historia de la superconductividad 1911 Heike Kamerlingh-Onnes 1933 Karl Walther Meissner 1935 F. London y H.London Resistencia cero en mercurio a 4.2K Descubrimiento del efecto de expulsión del campo magnético en los superconductores ( Efecto Meissner-Ochsenfeld ) Teoría que relaciona al superconductor y el campo magnético 1935 L. V. Shubnikov Superconductores de Tipo II 1950 V.L. Ginzburg y L.D. Landau Teoría general de la superconductividad (GL) 1957 J. Bardeen, L. Cooper y J. Schrieffer 1957 Aleksei Abrikosov Teoría microscópica de la superconductividad (BCS). Gap de energía. Líneas de flujo y superconductores de Tipo II. Vórtices.

75 Hitos en la historia de la superconductividad 1959 Ivar Giaever Confirmación experimental de la teoría BCS: Gap en la densidad de estados electrónicos 1960 J. Kunzler 1960 Lev P. Gorkov, N.N. Bogoluibov Superconductores duros. Hilos Nb 3 Sn a 4.2K llevan 100 ka/cm 2 en un campo de 8 Tesla Formulación rigurosa de la teoría BCS 1962 Brian D. Josephson Tunel de pares a voltaje cero. Efecto Josephson G. Bednorz y K.A. Müller Superconductores de alta temperatura crítica

76 Qué es la superconductividad? (= superfluidez de los electrones de conducción en un conductor) Superfluidez: movimiento sin fricción y sin disipación de un fluido cuántico (el 4 He a T<2,17K) Los átomos de 4 He son bosones que sufren una transición, relacionada con las de Bose-Einstein, a 2,17 K. El condensado que se forma presenta superfluidez Pero los electrones son fermiones (no hay condensación de BE) cómo pueden superconducir? A T suficientemente baja los electrones de conducción se pueden aparear, formando pares de Cooper, que son bosones cargados (2e) Los pares de Cooper sí presentan condensación de BE. Este condensado sí presenta superfluidez, y superconductividad (q=2e)

77 Qué es la superconductividad? Interacción atractiva entre fermiones Se forman bosones (pares de Cooper) Condensación de Bose Einstein Superfluidez (q=0) Superconductividad (q 0)

78 Una sala de baile de los años cincuenta Los pares de Cooper y el condensado superconductor

79 MUNDO CLÁSICO La vida en el mundo cuántico EL EFECTO TÚNEL φ φ MUNDO CUÁNTICO E F E F z= 0 z= S

80 La unión túnel EFECTO JOSEPHSON Ψ j = n j e iθ j ϕ = θ 1 θ 2

81 La unión túnel EFECTO JOSEPHSON I =I0sin( ϕ) V = h 2e ϕ t Ecuaciones de Josephson

82 INTRODUCCIÓN VÓRTICES EN SUPERCONDUCTORES densidad de pares de Cooper El flujo magnético que atraviesa un vórtice es la unidad cuántica de flujo: Φ 2 0 = h / 2e 2 mt µ m campo magnético N S densidad de supercorriente d Red de Abrikosov d(nm) 50 H(T) H

83

84 Los dos objetos mesoscópicos de la superconductividad: los vórtices y los pares de Cooper El camino de las aplicaciones 1.-El anclaje de los vórtices: los superconductores duros 2.-Ondas de luz y ondas de materia: las interferencias cuánticas

85 r r r F = j B La fuerza de Lorentz actúa sobre los vórtices El anclaje de los vórtices

86 Filamentos de NbTi embutidos en matriz de cobre

87 ρ V const e I ktj ext

88 H = 1.2 T STM imaging of the vortex lattice at 0.1 K: How disorder enters in a Bragg glass FFT STM image with 714 vortices All vortices have 6 nearest neighbors

89 H = 2.5 T STM imaging of the vortex lattice at 0.1 K: How disorder enters in a Bragg glass FFT STM image with 1461 vortices Almost all vortices have 6 nearest neighbors

90 B c2 (T) Estado Normal Campo Magnético Estado Mixto Estado Normal Campo Magnético Sólido de vórtices Líquido de vórtices B f (T) B c2 (T) B c1 (T) B c1 (T) Estado Meissner Estado Meissner Temperatura T c Temperatura T c

91 Cables fabricados con superconductores de alta temperatura crítica X.Obradors et al.2009

92 The ATLAS Barrel Toroid consists of eight superconducting coils, each in the shape of a round-cornered rectangle, 5m wide, 25m long and weighing 100 tonnes, all aligned to millimetre precision. Central view of the ATLAS detector with its eight toroids around the calorimeter before moving it in the middle of the detector

93 MLX01 maglev train (Japón)

94 El contacto débil Ψ j = n j e iθ j ϕ = θ θ 1 2

95 Interferencia ondas electromagnéticas Fuente coherente rendijas interferencia

96 SQUID DC (simétrico: dos UJ iguales)? I-> I-> i 1 I-> I-> i 2

97 [Josephson: SQUID DC] SQUID DC (simétrico: dos UJ iguales) I I = = I 1 2I + c I 2 = I [sin( ϕ ) + sin( ϕ )] = I c cos( πφ / Φ 0 1 )sin( ϕ πφ / Φ 2 2 c 0 [sin( ϕ ) 2 2πΦ / Φ 0 ) + sin( ϕ )] = i 1 -> 2 Corriente máxima I max I max ( ( Φ )) = 2 cos π Φ I c (a voltaje cero) 0 I-> i 2 -> ->I I max (Φ)=I max (Φ) sin(s) Como una sola unión J pero con corriente máxima modulada por el flujo I/(I c1 +I c2 ) Óptica: Similar a la interferencia (difracción) entre dos rendijas angostas Φ/Φ 0

98 [Josephson: SQUID DC] Sensibilidad del SQUID Intensidad del campo magnético terrestre: 1 gauss = 10-4 T Área del SQUID Periodo de I max 1 m 2 2x10-15 T 1 mm 2 2x10-9 T 1 µm 2 2x10-3 T 1.4 Peden detectarse diferencias 1/ del periodo de Imax. I/(I c1 +I c2 ) Φ/Φ 0

99

100 [Josephson: SQUID DC] Aplicaciones tecnológicas del SQUID Medida ultrasensible de campos magnéticos débiles. - Determinación de propiedades magnéticas de la materia (implantado). - Control de materiales estructurales: Aviación, grandes estructuras (implantado). - Detección de ondas gravitacionales extragalácticas (en desarrollo). - Otros, a través de cualquier transductor (?)->campo magnético. + Magnetismo local, (microsquids, en desarrollo). + Biomagnetismo: Magnetocardiografía, Magnetoencefalografía (implantado). Necesidad de bajas temperaturas (superconductores HTc >100 K).

101 Transformadores de flujo *El flujo magnético en el transformador es cte (anillo SPC). B ext SQUID Apantallamiento magnético VENTAJAS: -SQUID y sensor a distinta temperatura -Ajuste de sensibilidad del SQUID -SQUID apantallado

102 Gradiómetros B ext SQUID VENTAJAS: - Sensible a db/dz - Insensible a B de origen lejano

103

104 1969 Primer magnetocardiograma obtenido en la sala apantallada del MIT (arriba) 1971 Obtenido en la sala apantallada con un SQUID comercial (abajo)

105

106 Algunas aplicaciones de la supercondutividad Aplicaciones en biomedicina: 1- Basadas en grandes bobinas superconductoras a.- Equipos de imagen mediante resonancia magnética MRI b.- Aceleradores de partículas para terapia del cáncer 2- Basadas en la detección de pequeños gradientes de campo magnético con SQUID a.- Magnetoencelografía b.-magnetocardiografía c.- MRI con SQUID sin necesidad de las grandes bobinas

107 La superconductividad: cien años ganando actualidad Sebastián Vieira UAM LBTUAM: construcción y puesta a punto de bobinas superconductoras. En la foto, una bobina de 13 T Sevilla, 22 de Febrero 2011

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