团队制造了世界上性能最高的超导线段

　　

　　

　　我们未来的能源可能取决于高温超导(HTS)导线。这项技术能够在比传统超导体要求的温度更高的温度下无电阻地传输电力，这可能会给电网带来革命性的变化，甚至使商业核聚变成为可能。

　　然而，这些大规模的应用将不会发生，直到HTS电线的制造价格性能指标与您当地五金店出售的普通铜线相当。

　　布法罗新大学领导的研究正使我们更接近这个目标。在《自然通讯》上发表的一项研究中，研究人员报告说，他们制造了世界上性能最高的高温超导线段，同时使性价比指标显著提高。

　　基于稀土钡氧化铜(REBCO)，他们的电线达到了最高的临界电流密度和钉住力——所携带的电流量和钉住磁涡流的能力，分别是迄今为止报道的从5开尔文到77开尔文的所有磁场和温度。

　　这个温度范围仍然非常冷——零下451华氏度到零下321华氏度——但比传统超导体工作的绝对零度要高。

　　“这些结果将有助于指导工业进一步优化其沉积和制造条件，以显着提高商业涂层导体的性价比指标，”该研究的通讯作者Amit Goyal博士说，他是UB工程与应用科学学院化学与生物工程系的纽约州立大学杰出教授和纽约州立大学帝国创新教授。“为了充分实现超导体的大量大规模、可预见的应用，需要使性价比指标更加有利。”

　　高温超导电线的应用包括发电，例如使海上风力发电机的发电量翻倍;电网级超导磁储能系统;能量传输，如大电流直流、交流输电线路中电能的无损传输;以及高效超导变压器、电机和电网故障电流限制器等形式的能源效率。

　　高温超导电线的一个小众应用——商业核聚变——有可能产生无限的清洁能源。就在过去的几年里，全球大约成立了20家私营公司来开发商业核聚变，仅在开发用于这一应用的高温超导电线上就投入了数十亿美元。

　　HTS导线的其他应用包括用于医学的下一代MRI，用于药物发现的下一代核磁共振(NMR)和用于许多物理应用的高场磁体。也有许多国防应用，如全电动船舶和全电动飞机的发展。

　　目前，世界上大多数制造公里长的高性能高温超导电线的公司都使用了Goyal和他的团队之前开发的一种或多种技术创新平台。

　　这些技术包括滚动辅助双轴纹理衬底(RABiTS)技术、lmoe离子束辅助沉积(IBAD) MgO技术，以及通过同步相分离和应变驱动自组装技术实现纳米级间距的纳米柱状缺陷。

　　在《自然通讯》杂志上，Goyal的研究小组报告了基于rebco的超高性能超导导线。

　　在4.2开尔文的温度下，高温超导导线在没有任何外部磁场(也称为自场)的情况下每平方厘米携带1.9亿安培，在7特斯拉的磁场下每平方厘米携带9000万安培。

　　在20开尔文的高温下(这是商业核聚变的预期应用温度)，导线每平方厘米的自场仍能承载超过1.5亿安培，在7特斯拉的温度下，每平方厘米的自场能承载超过6000万安培。

　　在临界电流方面，这对应于一个4毫米宽的线段在4.2开尔文下，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。20开尔文时，自场是1200安培，7特斯拉时是500安培。

　　值得注意的是，该团队的高温超导薄膜尽管只有0.2微米厚，但却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。

　　至于钉住力，电线显示出很强的能力来固定或固定磁涡流，在4.2开尔文时的力约为6.4太牛顿/立方米，在20开尔文时的力约为4.2太牛顿/立方米，两者都是在7特斯拉的磁场下。

　　这些是迄今为止报道的所有磁场和工作温度从5开尔文到77开尔文的临界电流密度和钉住力的最高值。

　　Goyal说:“这些结果表明，性能的显著提高仍然是可能的，因此，在优化的商用高温超导电线中，可能会实现成本的降低。”

　　采用(IBAD) MgO技术在衬底上制备了HTS线段，并利用纳米柱状缺陷通过同步相分离和应变驱动自组装技术制备了HTS线段。自组装技术允许在超导体内部以纳米级间距集成绝缘或非超导纳米柱。这些纳米缺陷可以固定超导涡流，从而产生更高的超电流。

　　Goyal说:“高临界电流密度是由稀土掺杂、氧点缺陷和绝缘锆酸钡纳米柱及其形态的钉住效应结合而成的。”

　　Goyal领导的UB功能材料和器件异质外延生长实验室的博士后Rohit Kumar补充说:“HTS薄膜是通过仔细控制沉积参数，使用先进的脉冲激光沉积系统制成的。”

　　在脉冲激光沉积中，激光束撞击目标材料并烧蚀作为薄膜沉积在适当放置的基板上的材料。

　　Goyal说:“我们还在麦克马斯特大学的加拿大电子显微镜中心使用最先进的显微镜进行了原子分辨率显微镜，以表征纳米柱和原子尺度的缺陷，并在意大利萨莱诺大学进行了一些超导性能测量。”