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刷新世界记录，美国团队宣布高温超导新突破
2024/8/16 9:32:36 材料来源： 界面新闻
高温超导行业又有新突破。
近日，纽约州立大学布法罗分校的研究团队在最新一期《自然·通讯》报告了一项基于稀土钡铜氧化物(REBCO)的超高性能超导线材的制备成果，为世界上性能最高的高温超导线段，同时性价比指标显著提高。
超导体是指在特定转变温度之下电阻为零且呈现完全抗磁性(即迈斯纳效应)的材料，能广泛应用于电力传输和储能、医学成像、磁悬浮列车、量子计算等领域。
根据实现温度不同，超导体可分为低温超导材料和高温超导材料。低温超导材料通常需要借助4K(-269°C)的液氦来实现20K以下的环境来实现超导电性，高温超导(HTS)所需的温度相对来说要高得多，通常可以达到40K(-233°C)，甚至-100°C以上。
文章刊登在《自然·通讯》
新的HTS导线涵盖所有磁场和从5K(-268°C)到77K(-196°C)的工作温度范围。在4.2K时，新HTS导线在没有外部磁场的情况下(下称自场)，每平方厘米可承载1.9亿安培的电流；在7特斯拉磁场下，每平方厘米可承载9000万安培的电流。
在更高的20K(-253°C)时，在没有外部磁场的情况下，这些导线每平方厘米仍可承载超过1.5亿安培的电流；在7特斯拉磁场下，每平方厘米可承载超过6000万安培的电流。20K也是商业核聚变的预期应用温度。
纽约州立大学布法罗分校在8月10日的新闻稿中表示，这是迄今为止报告的所有磁场和工作温度下，临界电流密度和钉扎力的最高值。
临界电流密度是在超导体中，可视为无阻流动的最大直流电流。钉扎力是钉扎磁涡旋的能力，可不同程度地阻止磁通线的流动，以提高临界电流。
布法罗分校称，在临界电流方面，最新的成果对应于一个4毫米宽的线段，在4.2K温度下，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20K时，自场是1200安培，在7特斯拉时是500安培。
在钉住力方面，在7特斯拉的磁场下，金属丝显示出很强的将磁涡流钉住或固定在原位的能力，在4.2K时的力约为6.4太牛顿/立方米，在20开尔文时的力约为4.2K/立方米。
“尽管该团队的高温超导薄膜只有0.2微米厚，但它可以携带与商用超导导线相当的电流，而商用超导导线的高温超导薄膜几乎是其厚度的10倍。”该校表示。
该研究的通讯作者、纽约州立大学杰出教授和纽约帝国创新教授阿米特·戈亚尔(Amit Goyal)认为，最新的研究结果将帮助引导行业进一步优化其沉积技术和制造条件，从而显著提高商用涂层导体的价格-性能比。提高性价比对于完全实现超导体的众多大规模、设想中的应用是必需的。
他进一步说明，研究的结果表明，优化后的商业HTS线材仍有显著的性能提升空间，因此有潜力实现成本的相应降低。
高温超导在电力工业、国防、医疗和交通等行业中有许多应用，例如HTS导线能在比传统超导体要求的温度更高的温度下无电阻输电的能力将有可能改变电网，HTS也能够极大降低制冷成本，缩小核聚变托卡马克装置的体积。
结合高温超导和磁悬浮技术，制成的高温超导磁悬浮列车将拥有更高的运行速度和更低的能耗。
中国在超导基础研究领域位于世界前列，近两年在HTS材料领域不断有突破。
今年7月18日，复旦大学宣布，该校物理学系赵俊教授团队利用高压光学浮区技术，成功生长三层镍氧化物La4Ni3O10高质量单晶样品，并证实了镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性。
去年7月，中山大学物理学院王猛教授团队在《自然》杂志刊登了高温超导材料的科学成果——首次发现液氮温区镍氧化物超导体。液氮温区指的是温度在液氮沸点附近的范围，即约-196°C左右。
这是继中国科学家1980年代发现铜氧化物高温超导体之后，人类发现的第二种液氮温区非常规超导材料，也是在全球范围内首次发现的全新高温超导体系。
目前，低温超导材料及应用仍占超导市场总量绝大多数。去年12月，中金公司发布研报称，当前高温超导带材尚未得到大规模商业化应用，主要原因在于带材大规模制备技术尚不成熟以及生产成本较高。
“我们认为随着高温超导带材厂商持续扩产、带材生产技术逐步成熟、带材价格有望大幅下降。”该机构表示。
超导材料是核聚变中的关键材料之一。核聚变产业对高温超导产业化有拉动作用。
今年4月，上海翌曦科技发展有限公司创始人兼董事长、上海市高温超导材料与系统工程技术中心主任金之俭在接受界面新闻采访时曾表示，美国CFS公司的单个SPARC示范装置超导带材用量就就接近1万公里，瞄准实现聚变发电的ARC工程实验堆需求量可能会达到2.4万公里，而2021年全球的超导带材产能仅3000公里。在此巨量需求驱动下，近两年全球厂商都在进行大规模扩产。
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