A15-Phasen

A15-Phasen ermöglichen den Bau von supraleitenden Magneten mit magnetischen Flussdichten von mehr als 10 T.^[2] Die höchste bekannte Sprungtemperatur für A15-Phasen ist 23.2 K für Nb₃Ge.^[5]

Die technisch wichtigste Phase ist Nb₃Sn, da es das einzige A15-Material ist, für das kostengünstige Verfahren zur Leiterfertigung entwickelt wurden.^[6] Die erste, über viele Jahre verwendete Herstellungsverfahren nutzte Bänder mit Nb₃Sn, die aus Nb-Bändern durch Erhitzen in flüssigem Zinn erhalten wurden.^[7]

Die A15-Phasen sind außerordentlich spröde^[1] und können daher nicht plastisch verformt werden. Herkömmliche Verfahren zum Ziehen von Drähten können daher nicht verwendet werden, und auch Gießverfahren der geschmolzenen Phasen sind nicht praktikabel.^[1] Möglich ist eine Verarbeitung von Nb₃Sn als Pulver in einer Röhre – dabei kann das Nb₃Sn auch erst in der Röhre hergestellt werden.^[8][9]

 

A15-Phasen können thermisch ziemlich stabil sein: Für Nb₃Al wird ein Schmelzpunkt von 2060 °C angegeben, Mo₃Si geht bei 2025 °C peritektisch in festes Mo und Schmelze über.^[10] Nb₃Sn hingegen wandelt sich schon bei 43 K in eine tetragonale Struktur um.^[11]

 

In der A15-A₃B-Struktur besetzen die B-Atome die Ecken und das Zentrum der Elementarzelle. Das entspricht einer kubisch raumzentrierten Anordnung mit zwei B-Atomen pro Elementarzelle an den Positionen a(0,0,0) und a(½,½,½), wobei a der Gitterparameter ist.^[12] Es befinden sich sechs A-Atome in der Elementarzelle, die paarweise auf den Flächen der kubischen Zelle angeordnet sind, nämlich an den Positionen a(½,±¼,0), a(0,½,±¼), und a(±¼,0,½).^[12] Die A-Atome sind somit auf Geraden angeordnet, die parallel zu den drei aufeinander senkrecht stehenden Achsen verlaufen. Jedes B-Atom ist von 12 A-Atomen umgeben, d. h. die Koordinationszahl ist 12, wobei die 12 A-Atome ein nicht reguläres, sondern verzerrtes Ikosaeder bilden. Die Koordinationszahl von A ist 14,^[12] da jedes A in kurzem Abstand (${\displaystyle {\tfrac {a}{2}}=0{,}5\ a}$ ) mit zwei A-Atomen, in mittlerem Abstand mit vier B-Atomen (vier gleiche Bindungslängen von ${\displaystyle {\tfrac {\sqrt {5}}{4}}a\approx 0{,}559\ a}$ , gegenüber einem Tetraeder stark verzerrte Winkel) und in längerem Abstand (${\displaystyle {\tfrac {\sqrt {6}}{4}}a\approx 0{,}612\ a}$ ) mit weiteren 8 A-Atomen benachbart ist.

Während das gewöhnliche Wolfram, α-W genannt, eine kubisch raumzentrierte (body centered cubic bcc) Kristallstruktur hat, hat das β-W die A15-Struktur. Es war lange Zeit umstritten, ob das β-W eine echte Modifikation des reinen Wolframs ist oder ob es z. B. als Wolframoxid anzusehen sei. Neuere Arbeiten belegen, dass reinstes, sauerstofffreies Wolfram gar keine A15-Phase bildet, da die bcc-Phase die thermodynamisch stabile Phase ist. Demnach stabilisiert Sauerstoff die A15-Phase und spielt bei ihrer Bildung eine wichtige Rolle.^[13]

Während α-Wolfram eine Sprungtemperatur zur Supraleitung von 0.1 K hat, liegt die von β-W bei 1–4 K.^[14]

Die erste bekannte A15-Phase war die 1931 entdeckte β-W-Struktur des Wolframs.^[4] 1933 wurde dann die erste binäre Verbindung mit A15-Struktur entdeckt, das Chromsilicid Cr₃Si.^[15] In einer im Februar 1953 veröffentlichten Arbeit wurde erstmals belegt, dass A15-Phasen supraleitend sein können. Dabei wurden aus damaliger Sicht erstaunlich hohe Sprungtemperaturen gemessen: 17,0 K für V₃Si; 6.0 K für V₃Ge, 1,30 K für Mo₃Si und 1,43 K für Mo₃Ge.^[16]

Wichtige Beiträge zur Erforschung der Supraleitung der A15-Phasen wurden von Theodore Geballe und Bernd Matthias geleistet, die zusammen in den Bell Laboratories arbeiteten. Beispielsweise veröffentlichten sie 1967 die Beschreibung einer festen Lösung von Nb₃Al und Nb₃Ge, des ersten bekannten Supraleiters mit einer Sprungtemperatur oberhalb 20 K.^[17] Über 32 Jahre, von 1954 bis zur Entdeckung der Hochtemperatursupraleiter 1986, hielten die A15-Phasen die Spitzenposition bei den Stoffen mit den höchsten Sprungtemperaturen für die Supraleitung.^[2]

Zusammen mit anderen intermetallischen Verbindungen wie z. B. den Laves-Phasen gehören die A15-Phasen zu den Frank-Kasper-Phasen, die durch Koordinationspolyeder mit Koordinationszahlen von 12, 13, 14, 15 und 16 gekennzeichnet sind und die sich durch ihre für die technische Anwendung oft ungünstige Sprödigkeit auszeichnen.^[18]

1. ↑ ^{a b c} Wolfgang Klose, Alfred Müller: Supraleitende A15-Phasen. Hrsg.: O. Madelung (= Advances in Solid State Physics: Festkörperprobleme. Band 12). Pergamon, Vieweg, Springer, Braunschweig/Berlin/Heidelberg 1972, ISBN 3-540-75329-X, S. 599–625, doi:10.1007/BFb0107697 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 27. April 2016]). 
2. ↑ ^{a b c d} Gregory R. Stewart: Superconductivity in the A15 structure. In: Physica C. Band 514, 2015, S. 28–35, doi:10.1016/j.physc.2015.02.013, arxiv:1505.06393. 
3. ↑ Louis Richard Testardi: Structural instability and superconductivity in A-15 compounds. In: American Physical Society (Hrsg.): Reviews of Modern Physics. Band 47, Nr. 3, 1. Juli 1975, S. 637–648, doi:10.1103/RevModPhys.47.637. 
4. ↑ ^{a b} Hellmuth Hartmann, Fritz Ebert, Otto Bretschneider: Elektrolysen in Phosphatschmelzen. I. Die elektrolytische Gewinnung von α- und β-Wolfram. In: G. Tammann, W. Biltz (Hrsg.): Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. Band 198, Nr. 1. Leopold Voss, Wiley-VCH, Leipzig, Weinheim 1. Juni 1931, S. 116–140, doi:10.1002/zaac.19311980111. 
5. ↑ J.E. Hirsch, M.B. Maple F. Marsiglio: Superconducting materials classes: Introduction and overview. In: Physica C. Superconductivity and its Applications. Band 514, 15. Juli 2015, S. 1–8, doi:10.1016/j.physc.2015.03.002, arxiv:1504.03318. 
6. ↑ Helmut Krauth: 100 Jahre Entwicklung von Supraleitern fuer Magnet- und Energietechnik. (PDF) In: 6. Supraleiterseminar Braunschweig. Technische Universität Braunschweig, 11. Mai 2011, abgerufen am 30. April 2016. 
7. ↑ Masaki Suenaga: Metallurgy of Continuous Filamentary A15 Superconductors. In: Simon Foner, Brian Schwartz (Hrsg.): Superconductor Materials Science: Metallurgy, Fabrication, and Applications. Proceedings of a NATO Advanced Study Institute. Band 68. Plenum Press / Springer Science & Business Media, New York, London 1981, ISBN 978-1-4757-0039-8, S. 201–274 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 29. April 2016]). 
8. ↑ Patent US20100031493: Powder-in-Tube Process and Method of Manufacture. Veröffentlicht am 11. Februar 2010, Erfinder: Leszek Motowidlo.‌
9. ↑ Patent US7459030: Manufacturing method of Nb₃Sn superconductive wire using powder technique. Veröffentlicht am 2. Dezember 2008, Erfinder: Takayoshi Miyazaki, Hiroyuki Kato, Kyoji Zaitsu, Kyoji Tachikawa.‌
10. ↑ A. Misra, J. J. Petrovic, T. E. Mitchell: Microstructures and Mechanical Properties of a Mo₃Si-Mo₅Si₃ Composite. In: Scripta Materialia. Band 40, Nr. 2. Elsevier Science Ltd, Dezember 1998, S. 191–196, doi:10.1016/S1359-6462(98)00406-0. 
11. ↑ Roman Gladyshevskii, Karin Cenzual: Handbook of Superconductivity. Hrsg.: Charles K. Poole, Horacio A. Farach, Richard J. Creswick. Academic Press, London 2000, ISBN 0-12-561460-8, 06. Crystal Structures of Classical Superconductors, S. 130–131 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 4. Mai 2016]). 
12. ↑ ^{a b c} Wang Rong-Yao, Luo Qi-Guang: Structure of A15 Compounds. In: physica status solidi (a). Band 96, Nr. 2. Wiley-VCH, 16. August 1986, S. 397–406, doi:10.1002/pssa.2210960204. 
13. ↑ Y. G. Shen, Y. W. Mai: Structure and properties of stacking faulted A15 tungsten thin films. In: Journal of Materials Science. Band 36, Nr. 1. Kluwer Academic / Springer, Januar 2001, S. 93–98, doi:10.1023/A:1004847009613. 
14. ↑ A. E. Lita, D. Rosenberg; S. Nam; A. J. Miller; D. Balzar; L. M. Kaatz; R. E. Schwall: Tuning of tungsten thin film superconducting transition temperature for fabrication of photon number resolving detectors. In: The IEEE Council on Superconductivity (Hrsg.): IEEE Transactions on Applied Superconductivity. Band 15, Nr. 2, Juni 2005, S. 3528–3531, doi:10.1109/TASC.2005.849033. 
15. ↑ Bertil Borén: X-Ray Investigation of Alloys of Silicon with Chromium, Manganese, Cobalt and Nickel. In: Arkiv Kemi Mineral Geol. 11A (10). 1933, 1–28 englische Zusammenfassung in den Metallurgical Abstracts, siehe Seite 178 (PDF; 3,0 MB)
16. ↑ George F. Hardy, John K. Hulm: Superconducting Silicides and Germanides. In: American Physical Society APS (Hrsg.): Physical Review. Band 89, Nr. 4, 15. Februar 1953, S. 884, doi:10.1103/PhysRev.89.884. 
17. ↑ Bernd Theodor Matthias, Theodore H. Geballe, L. D. Longinotti, E. Corenzwit, G. W. Hull, R. H. Willens and J. P. Maita: Superconductivity at 20 Degrees Kelvin. In: AAAS (Hrsg.): Science. Band 156, Nr. 3775, 5. Mai 1967, S. 645–646, doi:10.1126/science.156.3775.645. 
18. ↑ Stanislaw M. Dubiel: Special Issue „Frank-Kasper Phases“. In: Applied Sciences. MDPI AG, 20. Februar 2014, abgerufen am 30. April 2016.