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。
![圖丨阿米特·戈亞爾(Amit Goyal)(來源:紐約州立大學水牛城分校)](http://n.sinaimg.cn/spider20240820/613/w894h519/20240820/44dd-dcacddda438dd2b1d447bbc37b37f8ba.jpg)
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。」
![圖丨脈衝激光沉積法用於加熱 HTS 導線,其中激光束燒蝕沉積在基板上的薄膜材料(來源:紐約州立大學水牛城分校)](http://n.sinaimg.cn/spider20240820/244/w441h603/20240820/b4c9-93dcc4743c54697384fdb0c07e7e9c49.jpg)
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。」
![參考資料:](http://n.sinaimg.cn/spider20240820/415/w900h315/20240820/c0a1-4841ac730890652b30111a5c9ca39969.png)
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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