刷新世界记录，美国团队宣布高温超导新突破- 大数跨境

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刷新世界记录，美国团队宣布高温超导新突破

中科富海

2024-08-20

图片转载于可硿核聚变微信公众号

8月7日，纽约州立大学布法罗分校的科研团队在《自然·通讯》杂志上发表了一篇报告，宣布成功制备了基于稀土钡铜氧化物（REBCO）的超导线材，这一成果标志着世界上性能最强的高温超导线段的诞生，并且具有显著提升的性价比。

他们的导线以稀土钡铜氧化物 (REBCO) 为基础，在所有已报道的磁场和工作温度条件下实现了迄今为止报告的最高临界电流密度和钉扎力（分别指承载的电流量和钉扎磁涡旋的能力）。

虽然这些超导线材的工作环境仍然非常寒冷，需要维持在零下451度到零下321华氏度之间，但这一温度区间已经显著高于传统超导体所需的接近绝对零度的运行条件。

该研究的通讯作者、纽约州立大学杰出教授、纽约州立大学帝国创新教授、布法罗大学工程与应用科学学院化学与生物工程系教授阿米特·戈亚尔博士说：“这些结果将有助于指导行业进一步优化其沉积和制造条件，从而显著提高商用涂层导体的性价比，要充分实现超导体众多大规模、设想中的应用，就需要提高性价比。”

脉冲激光沉积法用于加热 HTS 导线，其中激光束烧蚀沉积在基板上的薄膜材料。照片来源：布法罗大学

一、高温超导（HTS）导线有多种应用

高温超导导线的应用包括发电，例如使海上风力发电机的发电量翻倍；电网规模的超导磁能存储系统；能源传输，例如在大电流直流和交流输电线中的无损电力传输；以及以高效超导变压器、电动机和电网故障电流限制器的形式实现的能源效率。

仅 HTS 导线的一个小众应用，即商业核聚变，就具有产生无限清洁能源的潜力。仅在过去几年中，全球就成立了约 20 家私营公司来开发商业核聚变，仅此一项应用的 HTS 导线开发就已投入了数十亿美元。

HTS 导线的其他应用包括用于医学的新一代 MRI、用于药物研发的新一代核磁共振 (NMR) 和用于众多物理应用的高场磁体。此外，HTS 导线还有许多国防应用，例如全电动船舶和全电动飞机的开发。

目前，全球大多数生产千米长高性能高温超导导线的公司都采用了戈亚尔及其团队先前开发的一项或多项平台技术创新。

这些技术包括滚动辅助双轴织构化基板 (RABiTS) 技术、LMOe 离子束辅助沉积 (IBAD) MgO 技术，以及通过同时相分离和应变驱动自组装技术实现纳米级间距的纳米柱缺陷。《超导周刊》采访戈亚尔重点介绍了这些技术并讨论了其细节。

二、世界纪录的临界电流密度和钉扎力

在《自然通讯》杂志报道的这项研究中，戈亚尔研究小组报告了基于 REBCO 的超高性能超导导线。

在 4.2 开尔文下，HTS 导线在没有外部磁场（也称为自场）的情况下每平方厘米可承载 1.9 亿安培的电流，而在 7 特斯拉的磁场下每平方厘米可承载 9000 万安培的电流。

在更高的 20 开尔文温度下——预计的商业核聚变应用温度——这些电线仍可承载每平方厘米超过 1.5 亿安培的自场和每平方厘米超过 6000 万安培的 7 特斯拉电流。

就临界电流而言，这相当于 4.2 开尔文下 4 毫米宽的导线段在自场下具有 1,500 安培的超电流，在 7 特斯拉下具有 700 安培的超电流。在 20 开尔文下，在自场下具有 1,200 安培的超电流，在 7 特斯拉下具有 500 安培的超电流。

值得注意的是，尽管该团队的HTS薄膜厚度仅为0.2微米，但其承载的电流却可与厚度几乎是其10倍的商用超导导线相媲美。

至于钉扎力，这些导线表现出强大的将磁涡旋钉住或固定在适当位置的能力，在 4.2 开尔文下，其钉扎力约为每立方米 6.4 太牛顿，在 20 开尔文下，其钉扎力约为每立方米 4.2 太牛顿，两者的磁场强度均为 7 特斯拉。

这些是迄今为止报告的所有磁场和工作温度（5 开尔文至 77 开尔文）下临界电流密度和钉扎力的最高值。

戈亚尔表示：“这些结果表明，性能仍有可能显著提升，因此可以通过优化商用 HTS 导线降低成本。”

三、高性能电线是如何制造的

HTS 线段采用 (IBAD) MgO 技术在基板上制造，并通过同时相分离和应变驱动自组装技术利用纳米柱缺陷。自组装技术允许在超导体内以纳米级间距将绝缘或非超导纳米柱合并在一起。这些纳米缺陷可以固定超导涡旋，从而实现更高的超电流。

戈亚尔说：“高临界电流密度是通过稀土掺杂、氧点缺陷和绝缘锆酸钡纳米柱及其形貌的钉扎效应共同实现的。”

“HTS 薄膜是采用先进的脉冲激光沉积系统，通过严格控制沉积参数制成的，”戈亚尔领导的布法罗大学功能材料与器件异质外延生长实验室的博士后研究员 Rohit Kumar 补充道。

在脉冲激光沉积中，激光束撞击目标材料并烧蚀材料，该材料以薄膜形式沉积在适当放置的基板上。

“我们还利用麦克马斯特大学加拿大电子显微镜中心最先进的显微镜进行了原子分辨率显微镜检查，以表征纳米柱和原子级缺陷，并在意大利萨勒诺大学进行了一些超导特性测量，”戈亚尔说。

海军研究办公室（ONR）支持这项旨在开发优质 HTS 导线的基础研究。戈亚尔是该项目的首席研究员。

戈亚尔的研究对 HTS 领域产生了重大影响，包括基础材料科学以及科学发现从实验室到市场的转变。

他因其在高温超导领域的贡献而荣获美国国家科学院院士。他撰写或合作撰写了 360 多篇技术出版物，包括 45 篇受邀书籍章节和论文，并合编了 6 本书。他在全国和国际会议上发表了 30 多场全体会议和主题演讲，并受邀发表过 180 多场演讲。他拥有 88 项已颁发专利，其中包括 70 项美国专利和 18 项国际专利，还有 20 多项正在申请的专利。从 1999 年到 2009 年，他是全球高温超导领域被引用次数最多的作者。

四、中国在超导领域的研究

中国在超导基础研究领域处于全球领先地位，尤其在高温超导(HTS)材料的研究上，近两年取得了连续的突破性进展。

今年7月18日，复旦大学物理学系的赵俊教授团队宣布，他们利用高压光学浮区技术成功培育出三层镍氧化物La4Ni3O10的高质量单晶样品，并验证了在压力作用下镍氧化物展现出的体超导电性。

回顾到去年7月，中山大学物理学院的王猛教授团队在《自然》杂志上发表了一项重大科学成果——首次在液氮温区发现了镍氧化物超导体。液氮温区指的是接近液氮沸点的温度范围，大约在-196°C左右。这一发现标志着继1980年代中国科学家发现铜氧化物高温超导体之后，人类在液氮温区非常规超导材料领域的第二个重大突破，同时也是全球首次发现的一个全新高温超导体系。

尽管低温超导材料目前仍占据市场的绝大多数份额，但高温超导带材的商业化应用尚未普及。根据去年12月中金公司的研究报告，主要限制因素在于高温超导带材的大规模制备技术尚未成熟，且生产成本较高。

然而，随着高温超导带材制造商持续扩大生产规模，生产技术的逐步完善，预计带材价格将大幅下降。中金公司对此表示乐观。

超导材料在核聚变领域扮演着关键角色，核聚变产业的发展对高温超导材料的产业化具有显著的推动作用。今年4月，上海翌曦科技发展有限公司的创始人兼董事长金之俭在接受界面新闻采访时指出，美国CFS公司的单个SPARC示范装置对超导带材的需求量已接近1万公里。而针对聚变发电的ARC工程实验堆，需求量可能高达2.4万公里。鉴于2021年全球超导带材产能仅为3000公里，这一巨大的市场需求正在推动全球制造商加快扩产步伐。

参考链接：

https://www.sohu.com/a/800619362_313745?edtsign=47E167BA96A315A1D896F23F1D9293B77B5D565C&edtcode=ml%2Fy%2BaakzjIR%2BIDRPIWJ6w%3D%3D
https://www.buffalo.edu/news/releases/2024/07/worlds-highest-performance-superconducting-wire-segment-fabricated-at-UB.html

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