提高鐵基材料的超導性能

材料牛注：科學家團隊提出了一種方法，可以在不損失鐵基材料超導性能，同時又提高其臨界溫度的條件下，使其輸送的電流量加倍，從而使得鐵基超導體有望用于電動車輛、風力渦輪機、醫學成像裝置等先進能量應用中。

鐵基超導體在超高溫度下電阻為零，可以導電，而常規超導體只有在冷卻至接近絕對零度（零下459華氏度）時才會表現出超導能力。此外，鐵基超導體相對容易彎曲，并且在超導性能受到抑制之前，在高磁場中可在不同方向上傳導電流。 這些特性使得鐵基超導體有望用于電動車輛、風力渦輪機、醫學成像裝置等先進能量應用中。

然而，與其它超導體相比，鐵基超導體可以承載的電流量較低。 科學家一直在努力提高其電流量，但這樣常常會降低另一個關鍵性超導性能——臨界溫度，即超導性出現時的溫度。

目前，一個科學家團隊已經提出了一種方法，可以在不損失其超導性能的情況下，提高材料臨界溫度的條件下，使鐵基材料攜帶的電流量加倍。 這種方法利用了可用于提高超導線材和帶材性能的現有技術，這在Nature Communications中的論文里有所報道。

物理學家李強是布魯克黑文國家實驗室能源部先進能源材料團隊的負責人，他負責該項研究。他說：“我們在低能量下用質子轟擊材料，可同時提高材料的載流容量和臨界溫度——鐵基超導體首次實現這樣的結果。世界上有低能離子設備可以做到這一點，且成本不高。

轟擊超導材料的離子，從而人為地在材料晶體結構或化學中引入缺陷以增加其可承載電流量，這是公認的方法。當超導體放置在強磁場（例如磁共振成像（MRI）機器中的磁體產生的磁場）時形成微觀磁性渦流，而這些缺陷將釘扎在在微觀磁性渦流中。 如果缺陷自由移動，渦流將消耗能量，從而破壞超導體在損失能量的情況下攜帶電流的能力。

不幸的是，如果離子輻射產生的缺陷在超導體中產生太多的無序，將會降低其臨界溫度。 目前超導體需要在極冷條件下才能在無電阻情況下導電，所以不要期望其臨界溫度有任何降低。

從Goldilocks意義來說，缺陷必須“恰到好處”——不能太大也不能太小。 科學家可以通過選擇合適的離子種類（例如，質子，金離子，氬離子）和離子能量來設計這樣的缺陷。布魯克黑文實驗室的前科學家，現任日本關西學院教員Toshinori Ozaki解釋說：“一些離子或能量造成的損傷可能會太大，從而干擾超導性，也有些離子或能量則不會產生任何影響。 因此，我們可通過模擬來確定什么組合能產生最佳缺陷——最佳缺陷可以抑制磁性渦流，同時不會對材料的超導性能產生負面影響。”

該團隊對鐵基材料的研究發現低能質子可達到此效果。科學家使用電子顯微鏡拍攝了他們制備的薄膜材料用低能質子撞擊前后（約100納米厚）的圖像。

布魯黑客文的材料科學家Lijun Wu，Brookhaven負責鏡檢工作，他說：“在輻射過的薄膜中，我們可以看到入射離子和原子核之間碰撞產生了個別缺陷鏈，破壞了完美的原子順序，從而導致晶格產生局部壓縮或拉伸。 ”

在性能檢測過程中，科學家測量了在低磁場和高磁場中流過薄膜的電流量。 在高磁場中，輻射膜承載的電流比任何低溫超導體都多。 該結果表明，缺陷和局部晶格應變必須強烈釘扎在磁性渦流中，否則會阻礙電流流動。

為了弄清楚導致臨界溫度大幅提高的原因，該團隊創建了一個應變“地圖”，其中標記了局部壓縮和拉伸區域。 先前的研究已經表明，晶格應變類型與臨界溫度有關：高度壓縮的區域臨界溫度高，具高度拉伸的區域臨界溫度低。 在該團隊制作的“地圖”中，壓縮的區域更多，從而導致整體臨界溫度有所提高。

據李強所說，這些性能的提高只是開始，“我們相信，通過微調缺陷結構和晶格應變的排列，可以進一步提高臨界電流和溫度。”

原文鏈接：Enhancing the superconducting properties of an iron-based material.

文獻鏈接：A route for a strong increase of critical current in nanostrained iron-based superconductors

本文由編輯部楊樹提供素材，王冰編譯，點我加入材料人編輯部.