科学家们制造出了世界上性能最高的超导线段

诸平

Pulsed laser deposition, in which a laser beam ablates a material that is deposited as a film on a substrate, was used to fabricate the HTS wires. Credit: University at Buffalo

据美国纽约州立大学布法罗分校{State University of New York (SUNY) at Buffalo, Buffalo, NY, USA简称University at Buffalo}2024年8月10日提供的消息，科学家们制造出了世界上性能最高的超导线段（Scientists Have Fabricated the World’s Highest-Performance Superconducting Wire Segment）。

新的研究表明，大规模、经济高效地实施高温超导线越来越可行。我们能源系统的未来可能由高温超导(high-temperature superconducting简称HTS)电线塑造。这些先进的材料能够在比传统超导体更高的温度下无电阻地传输电力，有可能改变电网，使商业核聚变成为现实。然而，这些大规模的应用将不会发生，直到HTS电线的制造价格性能指标与您当地五金店出售的普通铜线相当。

布法罗分校领导（University at Buffalo-led）的新研究正使我们更接近这个目标。在《自然通讯》（Nature Communications）上发表的一项研究中，研究人员报告说，他们制造了世界上性能最高的高温超导线段，同时使性价比指标显著提高。原文详见：A. Goyal, R. Kumar, H. Yuan, N. Hamada, A. Galluzzi, M. Polichetti. Significantly enhanced critical current density and pinning force in nanostructured, (RE)BCO-based, coated conductor. Nature Communications, 2024, 15, Article number: 6523. DOI: 10.1038/s41467-024-50838-4. Published: 07 August 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-024-50838-4

参与此项研究的除了来自纽约州立大学布法罗分校的研究人员之外，还有来自加拿大汉密尔顿的麦克马斯特大学（McMaster University, Hamilton, Canada）以及意大利萨莱诺大学物理系和萨莱诺的CNR-SPIN单元的联合实验室{Laboratorio “LAMBDA”—Dipartimento di Fisica, Università di Salerno and CNR-SPIN Unità di Salerno, Fisciano (SA), Italy}的研究人员。

基于稀土钡铜氧化物(rare-earth barium copper oxide简称REBCO)，他们的导线分别在5 ~ 77 K的所有磁场和温度下实现了最高的临界电流密度和钉住力(pinning force)，即分别为所携带的电流量和钉住磁涡流的能力。这个温度范围仍然是非常冷的-451 ~ -321 °F，但比传统超导体的绝对零度要高。

该研究的通讯作者，美国纽约州立大学布法罗分校的工程与应用科学学院化学与生物工程系的杰出教授和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工业进一步优化其沉积和制造条件，以显著提高商业涂层导体的性价比指标，为了充分实现超导体的大量大规模、可预见的应用，需要使性价比指标更加有利。”

高温超导导线有许多应用（HTS wires have many applications）

高温超导电线的应用包括能源发电（energy generation），例如使海上风力发电机的发电量翻倍;电网级超导磁储能系统;能量传输，如大电流直流、交流输电线路中电能的无损传输;以及电网的高效超导变压器、电机和故障电流限制器（fault-current limiters）等形式的能源效率。

高温超导电线的一个小众应用，即商业核聚变，有可能产生无限的清洁能源。就在过去的几年里，全球大约成立了20家私营公司来开发商业核聚变，仅在开发用于这一应用的高温超导电线上就投入了数十亿美元。

高温超导电线的其他应用包括用于医学的下一代核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging简称MRI），用于药物发现的下一代核磁共振(nuclear magnetic resonance简称NMR)，以及用于许多物理应用的高场磁体。也有许多国防应用，如全电动船舶和全电动飞机的发展。目前，世界上大多数制造千米长的高性能高温超导电线的公司都使用了阿米特·戈亚尔和他的团队之前开发的一种或多种技术创新平台。

这些技术包括滚动辅助双轴纹理衬底(rolling assisted biaxially textured substrates简称RABiTS)技术、LMOe激活离子束辅助沉积(ion-beam assisted deposition简称IBAD) MgO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。

破世界纪录的临界电流密度和钉紧力（World-record critical current density and pinning force）

在《自然通讯》(Nature Communications)上发表的这项研究中，阿米特·戈亚尔的团队报告了基于稀土钡铜氧化物（REBCO）的超高性能超导导线。

在4.2 K的温度下，高温超导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携带1.9亿安培（1.9×10⁸ A/cm²），在7特斯拉（7 tesla）的磁场下每平方厘米携带9000万安培（9×10⁷ A/cm²）。

在20 K的温度下，这是商业核聚变的预期应用温度，导线每平方厘米的自场仍然可以承载超过1.5亿安培（1.5×10⁸ A/cm²），在7特斯拉（7 tesla）的磁场下，每平方厘米可以承载超过6000万安培（6×10⁷ A/cm²）。

在临界电流方面，这对应于一个4 mm宽的线段在4.2 K下，在自场有1500安培的超电流，在7特斯拉时有700安培的超电流。在20 K时，自场是1200安培，7特斯拉时是500安培。

值得注意的是，虽然高温超导薄膜的厚度只有0.2 μm，但其传输的电流却可以与比其厚10倍的商用超导导线相媲美。

至于钉住力，此高温超导电线显示出强大的能力，将磁涡流钉住或固定在原地，在4.2 K的情况下，钉住力约为6.4太牛顿/立方米(6.4 TN/m³)，在20 K的情况下，钉住力约为4.2太牛顿/立方米(4.2 TN/m³)，两者都是在7特斯拉的磁场下。

这些是迄今为止报道的所有磁场和工作温度从5 K到77 K的临界电流密度和钉住力的最高值。

阿米特·戈亚尔说：“这些结果表明，在优化的商用高温超导导线中，仍有可能显著提高性能，从而降低成本。”

高性能电线是如何制造的（How high-performance wire was fabricated）

采用离子辅助沉积(IBAD)MgO技术在衬底上制备了高温超导线段，并利用纳米柱状缺陷通过同步相分离和应变驱动自组装技术制备了高温超导线段。自组装技术允许在超导体内部的纳米级间距上集成绝缘或非超导纳米柱。这些纳米缺陷可以固定超导涡流，从而产生更高的超电流。

阿米特·戈亚尔说：“高临界电流密度是由稀土掺杂、氧点缺陷和绝缘锆酸钡纳米柱（barium zirconate nanocolumns）及其形态的钉住效应结合而成的。”

阿米特·戈亚尔领导的UB功能材料和器件异质外延生长实验室（UB Laboratory for Heteroepitaxial Growth of Functional Materials and Devices）的博士后罗希特·库马尔（Rohit Kumar）补充说：“高温超导薄膜是通过仔细控制沉积参数，使用先进的脉冲激光沉积系统制成的。”

在脉冲激光沉积中，激光束撞击目标材料并烧蚀作为薄膜沉积在适当放置的基板上的材料。

阿米特·戈亚尔说：“我们还在麦克马斯特大学的加拿大电子显微镜中心（Canadian Center for Electron Microscopy at McMaster University）使用最先进的显微镜进行了原子分辨率显微观察，以表征纳米柱和原子尺度的缺陷，并在意大利萨莱诺大学（Università di Salerno in Italy）进行了一些超导性能测量。”

这项工作得到了美国海军研究办公室(Office of Naval Research简称ONR)的资助{Office of Naval Research (ONR), Grant No. N00014−21-1−2534}。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

High-temperature superconducting wires have many large-scale, niche applications such as commercial nuclear fusion as well as numerous other large-scale applications in the electric power industry and in the defense, medical and transportation industries. However, the price/performance metric of these coated conductor wires is not yet favorable to enable and realize most large-scale applications. Here we report on probing the limits of J_c (H, T) possible via defect engineering in heteroepitaxially deposited high-temperature superconducting thin-films on coated conductor substrates used for long-length wire fabrication. We report record values of J_c (H, T) and pinning force, F_p (H, T) in (RE)BCO films with self-assembled BaZrO₃ nanocolumns deposited on a coated conductor substrate. A J_c of ~190 MA/cm² at 4.2 K, self-field and ~90 MA/cm², at 4.2 K, 7 T was measured. At 20 K, J_c of over 150 MA/cm² at self-field and over 60 MA/cm² at 7 T was observed. A very high pinning force, F_p, of ~6.4 TN/m³ and ~4.2 TN/m³ were observed at 7 T, 4.2 K and 7 T, 20 K respectively. We report on the highest values of J_c and F_p obtained to date for all fields and operating temperatures from 4.2 K to 77 K. These results demonstrate that significant performance enhancements and hence far more favorable price/performance metrics are possible in commercial high-temperature superconducting wires.