我國鐵基超導(dǎo)材料向高磁場(chǎng)應(yīng)用邁進(jìn)

日前，從中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱高能所）獲悉，國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了我國科研人員的一項(xiàng)有關(guān)鐵基高溫超導(dǎo)的最新成果。

來自高能所和中國科學(xué)院電工研究所（以下簡稱電工所）的研究人員，基于百米鐵基超導(dǎo)帶材研制的長尺度跑道型線圈，在10特斯拉二極磁場(chǎng)下，實(shí)現(xiàn)超過零場(chǎng)環(huán)境80%的高載流性能，首次驗(yàn)證了大尺寸鐵基超導(dǎo)線圈在高磁場(chǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，及其載流性能對(duì)背景場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)不敏感的高場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)越性。

這是繼2016年研制出首根百米級(jí)鐵基超導(dǎo)帶材、2019年完成小尺寸鐵基超導(dǎo)螺線管線圈24特斯拉性能驗(yàn)證后，該團(tuán)隊(duì)取得的又一重要進(jìn)展。

中國科學(xué)家走在鐵基高溫超導(dǎo)研究最前沿

所謂超導(dǎo)，是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度以下時(shí)，電阻突然消失的現(xiàn)象。具備這種特性的材料稱為超導(dǎo)材料。超導(dǎo)材料的兩個(gè)基本性質(zhì)是零電阻和完全抗磁性，這些不尋常的特性使其在科學(xué)研究、信息通訊、能源存儲(chǔ)、交通運(yùn)輸、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有重大的應(yīng)用前景。

1968年，美國物理學(xué)家麥克米蘭根據(jù)傳統(tǒng)理論計(jì)算推斷，超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度一般不能超過40開爾文（1開爾文約為-273℃），這個(gè)溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。1986年，兩名歐洲科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了以銅為關(guān)鍵組成元素的銅氧化物超導(dǎo)體，很快包括中國科學(xué)家在內(nèi)的研究團(tuán)隊(duì)將銅氧化物超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度提高到液氮溫區(qū)以上，突破了麥克米蘭極限溫度，學(xué)界將其稱為銅基高溫超導(dǎo)材料。

銅基高溫超導(dǎo)材料作為一類金屬陶瓷材料，加工工藝嚴(yán)苛，綜合成本相對(duì)較高。2008年2月，日本化學(xué)家細(xì)野在四方層狀的鐵砷化合物中發(fā)現(xiàn)存在轉(zhuǎn)變溫度為26開爾文的超導(dǎo)性，但因?yàn)闆]有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定該材料是否為高溫超導(dǎo)材料。

我國科學(xué)家基于在此領(lǐng)域長期的研究經(jīng)驗(yàn)，敏銳地意識(shí)到，類似結(jié)構(gòu)的鐵砷化合物中很可能存在更高超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度。2008年3月，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳仙輝研究組和中國科學(xué)院物理研究所（以下簡稱物理所）王楠林研究組同時(shí)在鐵基中觀測(cè)到了43開爾文和41開爾文的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，突破了麥克米蘭極限溫度，證明了鐵基超導(dǎo)材料為高溫超導(dǎo)材料;隨后，物理所趙忠賢研究組利用高壓合成技術(shù)高效地制備了一大批不同元素構(gòu)成的鐵基超導(dǎo)材料，并創(chuàng)造了55開爾文的鐵基超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度紀(jì)錄。

目前，我國科學(xué)家走在了鐵基超導(dǎo)材料研究國際最前沿。“之前的超導(dǎo)理論認(rèn)為超導(dǎo)性和鐵磁性不能共存，而鐵基超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)表明高溫超導(dǎo)機(jī)理研究還存在巨大的未知空間。”高能所研究員徐慶金說。

鐵基超導(dǎo)材料實(shí)用化正“爬坡過坎”

經(jīng)國際物理學(xué)界認(rèn)可，鐵基超導(dǎo)材料正式成為新一類高溫超導(dǎo)材料。更重要的是，鐵基超導(dǎo)材料還具有臨界磁場(chǎng)高、各向異性小、晶界臨界角大等一系列有利于實(shí)用化的優(yōu)點(diǎn)。

從鐵基超導(dǎo)材料具有的優(yōu)點(diǎn)看，它在中低溫高磁場(chǎng)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力，可充分發(fā)揮其臨界磁場(chǎng)高、各向異性小、制備成本低等優(yōu)勢(shì)。比如，基于鐵基超導(dǎo)材料制備的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體，有望大幅度提升磁體性能，降低目前高場(chǎng)磁體高昂的造價(jià)，在醫(yī)療核磁共振譜儀、先進(jìn)能源、基礎(chǔ)科學(xué)研究裝置，以及電力及交通等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

然而，“超導(dǎo)材料要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電高磁場(chǎng)應(yīng)用，必須解決限制線材性能的微觀機(jī)理問題，突破其關(guān)鍵制備技術(shù)，從而獲得高磁場(chǎng)下高臨界電流、高機(jī)械強(qiáng)度以及較好的電磁穩(wěn)定性等特性。”電工所研究員馬衍偉說。

2016年，電工所率先制備了百米量級(jí)的鐵基超導(dǎo)線材，為鐵基超導(dǎo)材料的實(shí)用化開啟了大門。2018年，高能所和電工所合作，基于超導(dǎo)帶材短樣研制出鐵基超導(dǎo)內(nèi)插螺線管線圈，成功在24特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)下獲得較高臨界電流，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鐵基超導(dǎo)材料高場(chǎng)應(yīng)用的可行性，2020年中國科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)中心在高達(dá)30特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)背景下的測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了此結(jié)果。

與此同時(shí)，高能所和電工所合作團(tuán)隊(duì)也開始了基于百米級(jí)鐵基超導(dǎo)帶材大尺寸超導(dǎo)線圈的研制及高場(chǎng)性能測(cè)試，目前最高10特斯拉二極背景場(chǎng)下的測(cè)試結(jié)果表明：鐵基超導(dǎo)線圈載流性能相對(duì)零磁場(chǎng)下?lián)p失小于20%，在高場(chǎng)下應(yīng)用具有其獨(dú)特的優(yōu)越性。

可應(yīng)用于下一代粒子加速器

“目前我們已經(jīng)在高性能鐵基超導(dǎo)線材方面獲得較大進(jìn)展，但相對(duì)來說，實(shí)用化鐵基超導(dǎo)線材研究時(shí)間還很短，線材性能上還存在較大提升空間，制備工藝上也需要時(shí)間來進(jìn)一步摸索優(yōu)化的結(jié)構(gòu)及參數(shù)。”徐慶金說。“本次成功驗(yàn)證大尺寸鐵基超導(dǎo)線圈在高場(chǎng)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，及其載流性能對(duì)背景場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)不敏感的高場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)越性，確實(shí)是一個(gè)很鼓舞人心的結(jié)果，證明研究團(tuán)隊(duì)從幾年前開始推動(dòng)的這項(xiàng)研究大方向沒有錯(cuò)，也是科研團(tuán)隊(duì)通力合作的結(jié)果。”

同時(shí)，這項(xiàng)研究得到了國際同行的高度評(píng)價(jià)。審稿人如此評(píng)價(jià)此項(xiàng)工作的重要意義：“這一新成果將對(duì)超導(dǎo)材料及磁體技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響”“證明了鐵基超導(dǎo)材料用于發(fā)展下一代粒子加速器的巨大潛力”。

“未來進(jìn)展順利的話，鐵基超導(dǎo)材料有望對(duì)下一代粒子加速器的發(fā)展產(chǎn)生重要影響，讓新一代高性能、低成本的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體從理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，助力相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)、高科技產(chǎn)業(yè)及人民健康的高質(zhì)量發(fā)展。但是，目前的結(jié)果還只是階段性進(jìn)展。”馬衍偉強(qiáng)調(diào)。

徐慶金表示，研究團(tuán)隊(duì)未來將在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)大幅度提升鐵基超導(dǎo)線帶材的載流及機(jī)械性能，推進(jìn)高性能鐵基超導(dǎo)高場(chǎng)磁體技術(shù)的進(jìn)一步探索及示范驗(yàn)證。性價(jià)比大幅度提升的新一代高場(chǎng)超導(dǎo)磁體技術(shù)，不僅可以推動(dòng)高性能粒子加速器及可控核聚變等大科學(xué)裝置的建設(shè)及相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，在能源、醫(yī)療、電力、交通等民生領(lǐng)域也將有著廣泛的應(yīng)用。