科学家制造出世界上性能最高的超导线材

新的研究表明，大规模、经济高效地实施高温超导线材的方法越来越可行。我们能源系统的未来可能由高温超导（HTS）导线塑造。这些先进的材料能够在比传统超导体更高的温度下无阻力地传输电力，具有改变电网和实现商业核聚变的潜力。

脉冲激光沉积法是用激光束烧蚀一种材料，然后在基底上沉积成薄膜，这种方法被用来制造 HTS 金属丝。资料来源：布法罗大学

然而，要实现这些大规模应用，就必须制造出性价比与当地五金店出售的普通铜线相当的 HTS 线缆。

由布法罗大学领导的新研究正在推动我们向这一目标靠近。在发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的一项研究中，研究人员报告说，他们已经制造出世界上性能最高的 HTS 线材，同时使性价比指标大大提高。

他们的导线以稀土氧化钡铜（REBCO）为基础，在 5 开尔文到 77 开尔文的所有磁场和温度条件下，达到了迄今为止所报告的最高临界电流密度和钉住力（分别指承载的电流强度和钉住磁涡旋的能力）。

这个温度范围仍然非常寒冷--零下 451华氏度到零下 321华氏度--但高于传统超导体工作时的绝对零度。

该研究的通讯作者、纽约州立大学工程与应用科学学院化学与生物工程系特聘教授兼纽约州立大学帝国创新教授阿米特-戈亚尔（Amit Goyal）博士说："这些结果将有助于指导业界进一步优化沉积和制造条件，从而大幅提高商用涂层导体的性价比，要想充分实现超导体的众多大规模应用，就必须使性价比指标更加有利"。

HTS 线材的应用包括：能源生产，如将海上风力发电机的发电量提高一倍；电网级超导磁能存储系统；能源传输，如在大电流直流和交流输电线路中无损耗传输电力；以及以高效超导变压器、电机和电网故障电流限制器的形式提高能源效率。

仅 HTS 线材的一个利基应用--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，仅为开发这种应用的 HTS 线材就投入了数十亿美元。

HTS 线材的其他应用包括用于医学的下一代 MRI、用于药物发现的下一代核磁共振 (NMR)，以及用于众多物理应用的高场磁铁。此外，还有许多国防应用，如开发全电动船舶和全电动飞机。目前，全球大多数制造千米长高性能 HTS 导线的公司都在使用 Goyal 及其团队之前开发的一种或多种平台技术创新。

这些技术包括滚动辅助双轴纹理基板 (RABiTS) 技术、LMOe 支持的离子束辅助沉积 (IBAD) 氧化镁技术，以及通过同步相分离和应变驱动自组装技术实现纳米级间距的纳米柱状缺陷。

在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志报道的这项工作中，Goyal 小组报告了基于 REBCO 的超高性能超导线材。

在 4.2 开尔文的条件下，HTS 导线在没有任何外部磁场（也称为自场）的情况下每平方厘米可传输 1.9 亿安培的电流，而在 7 特斯拉的磁场条件下每平方厘米可传输 9000 万安培的电流。

在 20 开尔文（商业核聚变的设想应用温度）的较高温度下，导线仍可在每平方厘米自场中传输超过 1.5 亿安培的电流，在 7 特斯拉下每平方厘米传输超过 6 千万安培的电流。

就临界电流而言，这相当于在 4.2 开尔文条件下，4 毫米宽的线段在自场条件下具有 1500 安培的超级电流，在 7 特斯拉条件下具有 700 安培的超级电流。在 20 开尔文时，自场电流为 1,200 安培，7 特斯拉时为 500 安培。

值得注意的是，该团队的 HTS 薄膜虽然只有 0.2 微米厚，但其电流强度却可与 HTS 薄膜厚近 10 倍的商用超导线媲美。

这些导线显示出很强的钉住或固定磁涡旋的能力，在 4.2 开尔文和 20 开尔文的 7 特斯拉磁场下，钉住力分别为每立方米约 6.4 太牛顿和每立方米约 4.2 太牛顿。这是迄今为止所报告的在 5 开尔文到 77 开尔文的所有磁场和工作温度下临界电流密度和引力的最高值。

这些结果表明，经过优化的商用 HTS 导线仍有可能大幅提高性能，从而降低相关成本。

HTS 线段是利用 (IBAD) 氧化镁技术在基底上制造的，并通过同步相分离和应变驱动自组装技术利用纳米柱缺陷制造的。自组装技术允许在超导体内以纳米级的间距加入绝缘或非超导纳米柱。这些纳米缺陷可以抑制超导涡流，从而产生更大的超电流。

Goyal说："稀土掺杂、氧点缺陷和绝缘锆酸钡纳米柱及其形态所产生的钉扎效应相结合，使得高临界电流密度成为可能。"

他所领导的 UB 功能材料和器件异向共轴生长实验室的博士后 Rohit Kumar 补充说："HTS 薄膜是利用先进的脉冲激光沉积系统，通过仔细控制沉积参数制成的。"

在脉冲激光沉积过程中，激光束撞击目标材料并烧蚀材料，然后在适当放置的基底上沉积成膜。

"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分析，以确定纳米柱状和原子尺度缺陷的特征，并在意大利萨莱诺大学进行了一些超导特性测量，"Goyal 说。