1987 年，诺贝尔物理学奖颁予高温超导（HTS，High-temperature superconductivity）材料。
超导体的临界温度从接近绝对零度，提升到了约 100K（零下 173 摄氏度），将超导现象的温度区间从液氦温度扩展到了液氮温度。
这一突破显著增加了超导技术在工业应用中的可能性。
由于 HTS 在比传统超导体需要温度更高的情况下，可无阻力地进行电力输送，因而其有望在能源、电力、交通、医疗等领域带来一系列颠覆性的变革。
特别是，这项技术为实现备受期待的商业核聚变带来了新的希望，引发了全球范围内的研究和开发热潮。
今年 3 月，美国麻省理工学院的科学家在 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 同时发表 6 篇论文，宣布在科学上验证了其所开发的高温超导材料用于核聚变的可能性[1]。
然而需要了解的是，HTS 材料实现大规模商业化应用的前提是：不仅需要达到现有商业用铜线的性能指标，还必须在成本上与其相当。
近期，美国纽约州立大学布法罗分校的研究团队宣布，已成功制备出迄今为止性能最高的 HTS 导线，并且各项指标均表现优异。
具体来说，基于钡铜氧化物（REBCO，Rare Earth Barium Copper Oxide）和稀土元素组成的高温超导材料成本可控。
并且，工作温度从 4.2K 到 77K，均表现出高的临界电流密度（Jc）和钉扎力（Fp），刷新了目前的报道记录。
近日，相关论文以《显著增强纳米结构稀土钡铜氧化物基涂层导体中的临界电流密度和钉扎力》（Significantly enhanced critical current density and pinning force in nanostructured，（RE）BCO-based，coated conductor）为题，发表在 Nature Communications 上[2]。
纽约州立大学阿米特·戈亚尔（Amit Goyal）教授是第一作者兼通讯作者。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
戈亚尔是美国国家工程院和美国国家发明家科学院院士。多年来，他的研究对高温超导领域产生了深远影响，无论是在基础材料科学领域，还是在推动科学发现从实验室向市场转化方面。
图丨阿米特·戈亚尔（Amit Goyal）（来源：纽约州立大学布法罗分校）
目前，全球 HTS 导线制造商主要采用三种技术路线，来制造高性能的 HTS 导线，分别是：轧制辅助双轴织构基带技术、离子束辅助沉积氧化镁衬底技术以及自组装纳米级柱状缺陷技术。
值得关注的是，这三种技术均是戈亚尔及其团队开发的。
其中，基于离子束辅助沉积氧化镁衬底技术的公司包括：SuperPower、MetOx、Fujikura、SuNAM、SuperOx 和上海超导等。
在这项研究中，HTS 导线也采用了离子束辅助沉积氧化镁衬底技术，并基于 REBCO 制备而成。
在合成上，他们采用了一种戈亚尔团队此前报道过的相分离和应变驱动自组装（SPSO，simultaneous phase separation and strain-driven ordering）工艺。目前，该工艺已被许多 HTS 导线制造商采用。
通过原位沉积的 REBCO 相，研究者在薄膜中实现纳米级间距的非超导纳米柱状缺陷，通过掺杂稀土金属位点，实现了通量钉扎增强。
这些纳米级缺陷的引入，可以显着提高薄膜的电流。
戈亚尔对媒体表示：“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。”
图丨脉冲激光沉积法用于加热 HTS 导线（来源：纽约州立大学布法罗分校）
该团队所开发的 HTS 导线的适用温度范围非常广泛。从具体数值来看，涵盖了从液氦温度（4.2K）到液氮温度（77K）。
在 4.2K 下测得自场（即没有外部磁场）条件下的电流密度为 190MA/cm2，7T 磁场下为 90MA/cm2。
在 20K 条件下，自场下的电流密度为 140MA/cm2，7T 下为 60MA/cm2。
另外，在 4.2K 和 20K 条件下，7T 的磁场强度时，观察到非常高的钉扎力，分别为 6.4TN/m3 和 4.2TN/m3。
值得一提的是，该 HTS 薄膜的厚度虽然仅有 0.2 微米，但它的电流承载能力和厚度接近其 10 倍的商用超导导线相当。
从更多应用的可能性来看：
发电和能源传输方面，HTS 能够促进海上风力发电机的发电量翻倍，并可用于电网规模的超导磁能存储系统。
在电力传输中，HTS 可以实现大电流直流、交流输电线的无损电力传输，并提高超导变压器、电动机和电网故障电流限制器的能源效率。
清洁能源方面，HTS 在商业核聚变方向具有应用潜力。目前，全球的商业核聚变公司超过 40 家，而仅 HTS 导线开发的投入就超过数十亿美元。
此外，HTS 导线还可能在医学领域，如新一代核磁共振成像和波谱法，其潜在应用场景还包括高场磁体等众多物理应用、国防领域等。
戈亚尔认为，“要充分实现超导体大规模、理想的应用，关键在于提高性价比。”
谈及该研究的影响，他对媒体表示：“（该研究的）这些结果将有助于指导行业进一步优化沉积和制造条件，从而显著提高商用涂层导体的性价比。”
参考资料：
1.https://ieeexplore.ieee.org/xpl/tocresult.jsp?isnumber=10348035&punumber=77
2.Goyal, A., Kumar, R., Yuan, H. et al. Significantly enhanced critical current density and pinning force in nanostructured, (RE)BCO-based, coated conductor. Nature Communications 15, 6523 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50838-4
3.https://www.buffalo.edu/news/releases/2024/07/worlds-highest-performance-superconducting-wire-segment-fabricated-at-UB.html
4.https://www.superconductorweek.com/2021/04/13/an-interview-with-amit-goyal/
5.https://www.buffalo.edu/news/releases/2018/02/016.html
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