团队制造出世界上性能最高的超导导线段

我们未来的能源可能依赖于高温超导 (HTS) 导线。该技术能够在高于传统超导体所需温度的温度下无阻力传输电力，这可能会彻底改变电网，甚至实现商业核聚变。

然而，只有当高温超导导线的性价比达到当地五金店出售的普通铜线的水平时，这些大规模应用才会实现。

布法罗新大学主导的研究使我们更接近这一目标。在《自然通讯》发表的一项研究中，研究人员报告称，他们已经制造出世界上性能最高的 HTS 导线段，同时使性价比指标显著提高。

他们的导线基于稀土钡铜氧化物 (REBCO)，实现了迄今为止报告的所有磁场和温度范围(从 5 开尔文到 77 开尔文)下最高的临界电流密度和钉扎力(分别指承载的电流量和钉扎磁涡旋的能力)。

这个温度范围仍然极其寒冷(零下 451 度至零下 321 华氏度)，但高于传统超导体所能达到的绝对零度。

“这些结果将有助于指导行业进一步优化其沉积和制造条件，从而显著提高商用涂层导体的性价比，”该研究的通讯作者、纽约州立大学杰出教授、纽约州立大学帝国创新教授、布法罗大学工程与应用科学学院化学与生物工程系阿米特·戈亚尔博士说。“要充分实现超导体众多大规模、设想中的应用，就需要使性价比指标更加有利。”

HTS 导线有多种应用

高温超导导线的应用包括发电，例如使海上风力发电机的发电量翻倍;电网规模的超导磁能存储系统;能源传输，例如在大电流直流和交流输电线中的无损电力传输;以及以高效超导变压器、电动机和电网故障电流限制器的形式实现的能源效率。

仅 HTS 导线的一个小众应用——商业核聚变——就具有产生无限清洁能源的潜力。仅在过去几年中，全球就成立了约 20 家私营公司来开发商业核聚变，仅此一项应用的 HTS 导线开发就已投入了数十亿美元。

HTS 导线的其他应用包括用于医学的新一代 MRI、用于药物研发的新一代核磁共振 (NMR) 和用于众多物理应用的高场磁体。此外，HTS 导线还有许多国防应用，例如全电动船舶和全电动飞机的开发。

目前，全球大多数生产千米长高性能高温超导导线的公司都采用了戈亚尔及其团队先前开发的一项或多项平台技术创新。

这些包括滚动辅助双轴织构基板 (RABiTS) 技术、LMOe 支持的离子束辅助沉积 (IBAD) MgO 技术、以及通过同时相分离和应变驱动自组装技术实现纳米级间距的纳米柱缺陷。

世界纪录的临界电流密度和钉扎力

在《自然通讯》杂志报道的这项研究中，Goyal 研究小组报告了基于 REBCO 的超高性能超导导线。

在 4.2 开尔文下，HTS 导线在没有外部磁场(也称为自场)的情况下每平方厘米可承载 1.9 亿安培的电流，而在 7 特斯拉的磁场下每平方厘米可承载 9000 万安培的电流。

在更高的 20 开尔文温度下——预计的商业核聚变应用温度——这些电线仍可承载每平方厘米超过 1.5 亿安培的自场和每平方厘米超过 6000 万安培的 7 特斯拉电流。

就临界电流而言，这相当于 4.2 开尔文下 4 毫米宽的导线段在自场下具有 1,500 安培的超电流，在 7 特斯拉下具有 700 安培的超电流。在 20 开尔文下，在自场下具有 1,200 安培的超电流，在 7 特斯拉下具有 500 安培的超电流。

值得注意的是，尽管该团队的HTS薄膜厚度仅为0.2微米，但其承载的电流却可与厚度几乎是其10倍的商用超导导线相媲美。

至于钉扎力，这些导线表现出强大的将磁涡旋钉住或固定在适当位置的能力，在 4.2 开尔文下，导线的钉扎力约为每立方米 6.4 太牛顿，在 20 开尔文下，导线的钉扎力约为每立方米 4.2 太牛顿，上述情况均在 7 特斯拉磁场下进行。

这些是迄今为止报告的所有磁场和工作温度(5 开尔文至 77 开尔文)下临界电流密度和钉扎力的最高值。

Goyal 表示：“这些结果表明，性能仍有可能显著提升，因此可以通过优化商用 HTS 导线降低成本。”

高性能电线是如何制造的

HTS 线段采用 (IBAD) MgO 技术在基板上制造，并通过同时相分离和应变驱动自组装技术利用纳米柱缺陷。自组装技术允许在超导体内以纳米级间距将绝缘或非超导纳米柱合并在一起。这些纳米缺陷可以固定超导涡旋，从而实现更高的超电流。

戈亚尔说：“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。”

“HTS 薄膜是采用先进的脉冲激光沉积系统，通过严格控制沉积参数制成的，”Goyal 领导的布法罗大学功能材料与器件异质外延生长实验室的博士后研究员 Rohit Kumar 补充道。

在脉冲激光沉积中，激光束撞击目标材料并烧蚀材料，该材料以薄膜形式沉积在适当放置的基板上。

戈亚尔说：“我们还利用麦克马斯特大学加拿大电子显微镜中心最先进的显微镜进行了原子分辨率显微镜检查，以表征纳米柱和原子级缺陷，并在意大利萨勒诺大学进行了一些超导特性测量。”

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