界面新聞?dòng)浾?｜ 戴晶晶
高溫超導(dǎo)行業(yè)又有新突破。
當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月7日，紐約州立大學(xué)布法羅分校的研究團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然·通訊》報(bào)告了一項(xiàng)基于稀土鋇銅氧化物(REBCO)的超高性能超導(dǎo)線材的制備成果，為世界上性能最高的高溫超導(dǎo)線段，同時(shí)性價(jià)比指標(biāo)顯著提高。
超導(dǎo)體是指在特定轉(zhuǎn)變溫度之下電阻為零且呈現(xiàn)完全抗磁性(即邁斯納效應(yīng))的材料，能廣泛應(yīng)用于電力傳輸和儲(chǔ)能、醫(yī)學(xué)成像、磁懸浮列車(chē)、量子計(jì)算等領(lǐng)域。
根據(jù)實(shí)現(xiàn)溫度不同，超導(dǎo)體可分為低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)材料通常需要借助4K(-269°C)的液氦來(lái)實(shí)現(xiàn)20K以下的環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電性，高溫超導(dǎo)(HTS)所需的溫度相對(duì)來(lái)說(shuō)要高得多，通?？梢赃_(dá)到40K(-233°C)，甚至-100°C以上。
新的HTS導(dǎo)線涵蓋所有磁場(chǎng)和從5K(-268°C)到77K(-196°C)的工作溫度范圍。在4.2K時(shí)，新HTS導(dǎo)線在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下(下稱自場(chǎng))，每平方厘米可承載1.9億安培的電流；在7特斯拉磁場(chǎng)下，每平方厘米可承載9000萬(wàn)安培的電流。
在更高的20K(-253°C)時(shí)，在沒(méi)有外部磁場(chǎng)的情況下，這些導(dǎo)線每平方厘米仍可承載超過(guò)1.5億安培的電流；在7特斯拉磁場(chǎng)下，每平方厘米可承載超過(guò)6000萬(wàn)安培的電流。20K也是商業(yè)核聚變的預(yù)期應(yīng)用溫度。
紐約州立大學(xué)布法羅分校在8月10日的新聞稿中表示，這是迄今為止報(bào)告的所有磁場(chǎng)和工作溫度下，臨界電流密度和釘扎力的最高值。
臨界電流密度是在超導(dǎo)體中，可視為無(wú)阻流動(dòng)的最大直流電流。釘扎力是釘扎磁渦旋的能力，可不同程度地阻止磁通線的流動(dòng)，以提高臨界電流。
布法羅分校稱，在臨界電流方面，最新的成果對(duì)應(yīng)于一個(gè)4毫米寬的線段，在4.2K溫度下，在自場(chǎng)有1500安培的超電流，在7特斯拉時(shí)有700安培的超電流；在20K時(shí)，自場(chǎng)是1200安培，在7特斯拉時(shí)是500安培。
在釘住力方面，在7特斯拉的磁場(chǎng)下，金屬絲顯示出很強(qiáng)的將磁渦流釘住或固定在原位的能力，在4.2K時(shí)的力約為6.4太牛頓/立方米，在20開(kāi)爾文時(shí)的力約為4.2K/立方米。
“盡管該團(tuán)隊(duì)的高溫超導(dǎo)薄膜只有0.2微米厚，但它可以攜帶與商用超導(dǎo)導(dǎo)線相當(dāng)?shù)碾娏?，而商用超?dǎo)導(dǎo)線的高溫超導(dǎo)薄膜幾乎是其厚度的10倍?！痹撔１硎?。
該研究的通訊作者、紐約州立大學(xué)杰出教授和紐約帝國(guó)創(chuàng)新教授阿米特·戈亞爾(Amit Goyal)認(rèn)為，最新的研究結(jié)果將幫助引導(dǎo)行業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化其沉積技術(shù)和制造條件，從而顯著提高商用涂層導(dǎo)體的價(jià)格-性能比。提高性價(jià)比對(duì)于完全實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的眾多大規(guī)模、設(shè)想中的應(yīng)用是必需的。
他進(jìn)一步說(shuō)明，研究的結(jié)果表明，優(yōu)化后的商業(yè)HTS線材仍有顯著的性能提升空間，因此有潛力實(shí)現(xiàn)成本的相應(yīng)降低。
高溫超導(dǎo)在電力工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療和交通等行業(yè)中有許多應(yīng)用，例如HTS導(dǎo)線能在比傳統(tǒng)超導(dǎo)體要求的溫度更高的溫度下無(wú)電阻輸電的能力將有可能改變電網(wǎng)，HTS也能夠極大降低制冷成本，縮小核聚變托卡馬克裝置的體積。
結(jié)合高溫超導(dǎo)和磁懸浮技術(shù)，制成的高溫超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)將擁有更高的運(yùn)行速度和更低的能耗。
中國(guó)在超導(dǎo)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域位于世界前列，近兩年在HTS材料領(lǐng)域不斷有突破。
今年7月18日，復(fù)旦大學(xué)宣布，該校物理學(xué)系趙俊教授團(tuán)隊(duì)利用高壓光學(xué)浮區(qū)技術(shù)，成功生長(zhǎng)三層鎳氧化物L(fēng)a4Ni3O10高質(zhì)量單晶樣品，并證實(shí)了鎳氧化物中具有壓力誘導(dǎo)的體超導(dǎo)電性。
去年7月，中山大學(xué)物理學(xué)院王猛教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志刊登了高溫超導(dǎo)材料的科學(xué)成果——首次發(fā)現(xiàn)液氮溫區(qū)鎳氧化物超導(dǎo)體。液氮溫區(qū)指的是溫度在液氮沸點(diǎn)附近的范圍，即約-196°C左右。
這是繼中國(guó)科學(xué)家1980年代發(fā)現(xiàn)銅氧化物高溫超導(dǎo)體之后，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第二種液氮溫區(qū)非常規(guī)超導(dǎo)材料，也是在全球范圍內(nèi)首次發(fā)現(xiàn)的全新高溫超導(dǎo)體系。
目前，低溫超導(dǎo)材料及應(yīng)用仍占超導(dǎo)市場(chǎng)總量絕大多數(shù)。去年12月，中金公司發(fā)布研報(bào)稱，當(dāng)前高溫超導(dǎo)帶材尚未得到大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，主要原因在于帶材大規(guī)模制備技術(shù)尚不成熟以及生產(chǎn)成本較高。
“我們認(rèn)為隨著高溫超導(dǎo)帶材廠商持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)、帶材生產(chǎn)技術(shù)逐步成熟、帶材價(jià)格有望大幅下降。”該機(jī)構(gòu)表示。
超導(dǎo)材料是核聚變中的關(guān)鍵材料之一。核聚變產(chǎn)業(yè)對(duì)高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化有拉動(dòng)作用。
今年4月，上海翌曦科技發(fā)展有限公司創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)、上海市高溫超導(dǎo)材料與系統(tǒng)工程技術(shù)中心主任金之儉在接受界面新聞采訪時(shí)曾表示，美國(guó)CFS公司的單個(gè)SPARC示范裝置超導(dǎo)帶材用量就就接近1萬(wàn)公里，瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)聚變發(fā)電的ARC工程實(shí)驗(yàn)堆需求量可能會(huì)達(dá)到2.4萬(wàn)公里，而2021年全球的超導(dǎo)帶材產(chǎn)能僅3000公里。在此巨量需求驅(qū)動(dòng)下，近兩年全球廠商都在進(jìn)行大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)。