The first "Insights in Technology Conference" was in Schaffhausen on December 16, 2019. The event is organized by the Schaffhausen Institute of Technology SIT. Special guest is Nobel Prize winner Wolfgang Ketterle.
Schaffhausen Institute of Technology website: http://sit.org
7. Phase transitions: properties of matter change
dramatically when cooled below a specific temperature
Water/Ice: 0 degrees Celsius, 273 Kelvin
8. Liquid oxygen -183°C
Liquid nitrogen -196°C
Phase transitions from liquid to solid
Water freezes at 0°C
Domestic freezer: -20°C
Whisky: 80 Proof (vol. 40) freezing point of -26°C
Dry Ice: -78°C
Pure alcohol
Methanol (-98°C), Ethanol (-114°C), Isopropanol (-89°C)
9.
10. 4 Kelvin: helium gas becomes liquid
2.8 Kelvin: temperature of interstellar space
(cosmic microwave background)
100 times colder than room temperature
Millikelvin
Microkelvin
Nanokelvin: 10-9 Kelvin
100 billion times colder than room temperature
11. Die kälteste Materie
im Universum
Nanokelvin Atome
und ein besonderer Phasenübergang:
Bose-Einstein-Kondensation
12. Was machen Atome bei
tiefen Temperaturen?
Sie werden langsamer
1000 km/h (300 m/s) 1 mm/s
25. Wie mißt man Temperatur?
Kinetische Energie mv2/2 = kBT/2
v=Radius/Flugzeit
26. Der Schatten einer Atomwolke
für immer tiefere Temperaturen
(Ballistische Expansion mit einer vorgegebenen Flugzeit)
Temperatur hängt linear von der Radiofrequenz ab,
die die Verdampfung steuert
27. Der Schatten einer Atomwolke
für immer tiefere Temperaturen
(Ballistische Expansion mit einer vorgegebenen Flugzeit)
Temperatur hängt linear von der Radiofrequenz ab,
die die Verdampfung steuert
28. Wie weist man nach, daß alle Atome im Gleichschritt marschieren?
Atome sind eine Welle
Atome sind kohärent
29. Ein Farbbeutel auf einer weißen Wand
Zwei
Farbe zeigt keine Welleneigenschaften
33. Interferenz von zwei Bose-Einstein-Kondensaten
Andrews, Townsend, Miesner, Durfee, Kurn, Ketterle, Science 275, 589 (1997)
rel
dB
mv
h
TOF
rel
t
d
v
34. Interferenz von Atomen
Materie-Wellen-Interferenz
… als Präzisionsmessung: Atom-Interferometrie
Messung von Beschleunigungen
• g: Erdbeschleunigung
• G: Gravitations-Konstante
• Photonen-Rückstoß: Bestimmung der
Feinstruktur-Konstante
• Navigation ohne GPS
35. Superconductivity = electrons march in lockstep
This can create a current which flows without dissipation
(no power supply, no battery)
This current creates a magnetic field
38. Demonstration:
a piece of (copper oxide) ceramic is cooled down
there is a phase transition
at the phase transition, electrons can march in lockstep
(they pair up and form a macroscopic quantum state)
this superconducting current has no dissipation
(no electrical resistance) and is therefore persistent
it creates a magnetic field, and the magnet floats
Demo
39. This can be explained by Faraday’s law of induction
and dissipationless currents.
But there is more!
Now: cool down
40. This can be explained by Faraday’s law of induction
and dissipationless currents.
But there is more!
At the phase transition, the superconducting material becomes
an extreme diamagnetic material, which expels all magnetic
fields by generating the opposite magnetic field
Meissner effect
But there is more! Demo
42. Meissner effect Flux penetration and pinning
Type II superconductors at
high magnetic fields
Type I superconductors
Type II superconductors at
low magnetic fields
43. “Our” superconductor:
Yttrium barium copper oxide (YBCO), type II superconductor
Tc around 90 K (-183°C)
So far:
Polycrystalline form with small grains
Low critical current. Meissner effect dominates over flux pinning.
(However, due to saturated current, flux is not completely
expelled).
Now:
Single domain (single crystal): high critical current.
Flux penetration
Flux pinning enhanced with impurities (e.g. silver).
Demo
44. Flux pinning and hysteresis
Flux pinning provides lateral forces
Forces are attractive and repulsive:
Magnetic suspension effect
Magnetic bearing
We have seen:
Persistent currents
Phase transition to diamagnetic material (Meissner effect)
46. Unser Zugang: Atomare Legos
Kühle Atome bis nahe zum absoluten Nullpunkt:
Nanokelvin, bring sie zum Stillstand
Füge sie zusammen, so daß sie sich
wie wichtige Materialien verhalten
Untersuchung von Materialien auf einem
grundlegenden Niveau
Quanten-Simulator:
ein Quantenrechner für spezielle Zwecke
60. Suprasolidität –
eine neue Form der Materie
… es ist ein Gas, eine Flüssigkeit,
ein Festkörper ...
… alles gleichzeitig ...
61.
62. Untersuchung von Materialeigenschaften an einem
Modell, das 1000x vergrößert ist
(Atomabstand is Mikrometer anstelle Nanometer)
Probiere (und verstehe) welche Materialien und
Phänomene in der Natur möglich sind!
Nutze Quantenmechanik für neue Anwendungen
Quantentechnologien
Auf der Suche nach neuen Materialien
66. Ampere’s law for parallel magnetic fields: surface current
sheet causes difference between external and internal B
field
Max delta-B: critical current density times
grain size (assuming saturation in currents)