科學家打破高溫超導性能紀錄，每平方釐米電流密度達1.9億安培

1987 年，盧保物理學獎頒予高溫超導（HTS，High-temperature superconductivity）材料。

超導體的臨界溫度從接近絕對零度，提升到了約 100K（零下 173 攝氏度），將超導現象的溫度區間從液氦溫度擴展到了液氮溫度。

這一突破顯著增加了超導技術在工業應用中的可能性。

由於 HTS 在比傳統超導體需要溫度更高的情況下，可無阻力地進行電力輸送，因而其有望在能源、電力、交通、醫療等領域帶來一系列顛覆性的變革。

特別是，這項技術為實現備受期待的商業核聚變帶來了新的希望，引發了全球範圍內的研究和開發熱潮。

今年 3 月，美國麻省理工學院的科學家在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 同時發表 6 篇論文，宣佈在科學上驗證了其所開發的高溫超導材料用於核聚變的可能性[1]。

然而需要瞭解的是，HTS 材料實現大規模商業化應用的前提是：不僅需要達到現有商業用銅線的性能指標，還必須在成本上與其相當。

近期，美國紐約州立大學水牛城分校的研究團隊宣佈，已成功製備出迄今為止性能最高的 HTS 導線，並且各項指標均表現優異。

具體來說，基於鋇銅氧化物（REBCO，Rare Earth Barium Copper Oxide）和稀土元素組成的高溫超導材料成本可控。

並且，工作溫度從 4.2K 到 77K，均表現出高的臨界電流密度（Jc）和釘紮力（Fp），刷新了目前的報導記錄。

紐約州立大學阿米特·戈亞爾（Amit Goyal）教授是第一作者兼通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Communications）

戈亞爾是美國國家工程院和美國國家發明家科學院院士。多年來，他的研究對高溫超導領域產生了深遠影響，無論是在基礎材料科學領域，還是在推動科學發現從實驗室向市場轉化方面。

目前，全球 HTS 導線製造商主要採用三種技術路線，來製造高性能的 HTS 導線，分別是：軋製輔助雙軸織構基帶技術、離子束輔助沉積氧化鎂襯底技術以及自組裝納米級柱狀缺陷技術。

值得關注的是，這三種技術均是戈亞爾及其團隊開發的。

其中，基於離子束輔助沉積氧化鎂襯底技術的公司包括：SuperPower、MetOx、Fujikura、SuNAM、SuperOx 和上海超導等。

在這項研究中，HTS 導線也採用了離子束輔助沉積氧化鎂襯底技術，並基於 REBCO 製備而成。

在合成上，他們採用了一種戈亞爾團隊此前報導過的相分離和應變驅動自組裝（SPSO，simultaneous phase separation and strain-driven ordering）工藝。目前，該工藝已被許多 HTS 導線製造商採用。

通過原位沉積的 REBCO 相，研究者在薄膜中實現納米級間距的非超導納米柱狀缺陷，通過摻雜稀土金屬位點，實現了通量釘紮增強。

這些納米級缺陷的引入，可以顯著提高薄膜的電流。

戈亞爾對媒體表示：「高臨界電流密度是通過稀土摻雜、氧點缺陷和絕緣鋯酸鋇納米柱，及其形貌的釘紮效應共同實現的。」

該團隊所開發的 HTS 導線的適用溫度範圍非常廣泛。從具體數值來看，涵蓋了從液氦溫度（4.2K）到液氮溫度（77K）。

在 4.2K 下測得自場（即沒有外部磁場）條件下的電流密度為 190MA/cm2，7T 磁場下為 90MA/cm2。

在 20K 條件下，自場下的電流密度為 140MA/cm2，7T 下為 60MA/cm2。

另外，在 4.2K 和 20K 條件下，7T 的磁場強度時，觀察到非常高的釘紮力，分別為 6.4TN/m3和 4.2TN/m3。

值得一提的是，該 HTS 薄膜的厚度雖然僅有 0.2 微米，但它的電流承載能力和厚度接近其 10 倍的商用超導導線相當。

從更多應用的可能性來看：

發電和能源傳輸方面，HTS 能夠促進海上風力發電機的發電量翻倍，並可用於電網規模的超導磁能存儲系統。

在電力傳輸中，HTS 可以實現大電流直流、交流輸電線的無損電力傳輸，並提高超導變壓器、電動機和電網故障電流限制器的能源效率。

清潔能源方面，HTS 在商業核聚變方向具有應用潛力。目前，全球的商業核聚變公司超過 40 家，而僅 HTS 導線開發的投入就超過數十億美元。

此外，HTS 導線還可能在醫學領域，如新一代核磁共振成像和波譜法，其潛在應用場景還包括高場磁體等眾多物理應用、國防領域等。

戈亞爾認為，「要充分實現超導體大規模、理想的應用，關鍵在於提高性價比。」

談及該研究的影響，他對媒體表示：「（該研究的）這些結果將有助於指導行業進一步優化沉積和製造條件，從而顯著提高商用塗層導體的性價比。」

1.https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77

2.Goyal, A., Kumar, R., Yuan, H. et al. Significantly enhanced critical current density and pinning force in nanostructured, (RE)BCO-based, coated conductor. Nature Communications 15, 6523 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50838-4

3.https://www.buffalo.edu/news/releases/2024/07/worlds-highest-performance-superconducting-wire-segment-fabricated-at-UB.html

4.https://www.superconductorweek.com/2021/04/13/an-interview-with-amit-goyal/

5.https://www.buffalo.edu/news/releases/2018/02/016.html

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