鐵基超導材料的研發

  超導體不同于一般金屬導體,一方面在某個臨界溫度以下電阻突降至零;另一方面還具有完全抗磁性。一旦進入超導態,外界磁場完全進不去,材料內部磁感應強度為零。由于這兩大特性,超導體在強、弱電領域具有重要的應用前景。利用超導材料替代普通金屬材料,可以節約輸電過程中造成的大量熱損耗;可以組建超導發電機、變壓器、儲能環;可以在較小空間內實現強磁場,從而獲得高分辨的核磁共振成像;可以發展安全高速的磁懸浮列車等等。近30年以來,銅基超導體獲得了很大進展,但是學術界一度存在一種觀點,認為鐵元素不利于形成超導,超導性與鐵磁性無法共存,材料中如果加入鐵、鎳等磁性元素,會大大降低超導性。但是,在2008年2月,日本東京工業大學發現氟摻雜鑭氧鐵砷化合物可以實現26K的超導性。鐵基超導體的發現宣布了超導理論和研究的重大突破。緊接著,當年3月25日,中國科技大學陳仙輝科研小組報告,氟摻雜釤氧鐵砷化合物在臨界溫度43K時也變成超導體。3月28日,中國科學院物理所趙忠賢科研小組報告,氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達52K;4月13日該科研小組又發現氟摻雜釤氧鐵砷化合物在壓力環境下超導臨界溫度可進一步提升至55K。新一代超導家族——鐵基超導體就此誕生。在隨后幾年里,新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導體系不斷被發現,典型母體如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等。研究還發現,鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發超導電性,這大大推動了超導理論的發展。

  傳統理論認為,通常的電子-聲子機制下超導臨界溫度的上限是40K左右,突破這一溫度極限的超導體被稱為高溫超導體。鐵基超導體是目前已發現的突破40K溫度以上的兩大超導系列(銅氧化物超導體和鐵基超導體)之一。

  鐵基超導體由于其具有金屬性,比較容易被加工成線材和帶材,而其可承載的上臨界磁場/臨界電流和銅基超導體相當,甚至有可能更優越。中科院馬衍偉研究組成功研制出國際第一根10米量級的高性能型鐵基超導長線,實現了鐵基超導線帶材領域的新突破。

  鐵基超導體表現出非常高的磁場溫度比,可以達到-10T/K。有的系統的低溫上臨界磁場可接近100T,例如,Ba0.6K0.4Fe2As2超導體的上臨界磁場在低溫端非常高,超出其他超導體系。因此可以預期鐵基超導體在強磁場磁體方面有非常好的應用前景。另外,在FeSe0.5Te0.5超導薄膜中,盡管超導轉變溫度只有18K左右,但是在4.2K和30T下,超導電流可以達到105A/cm2。這是一個非常高的指標,而且制備技術是比較成熟的脈沖激光沉積技術。利用粉末套管和軋制技術,中國科學院電工所在Sr1-xKxFe2As2材料方面制備出的導線,在4.2K臨界電流已經達到105A/cm2,處于國際領先水平。