鐵基超導材料的研發

  超(chao)(chao)導(dao)(dao)體不(bu)(bu)同于一(yi)(yi)(yi)般金(jin)屬導(dao)(dao)體,一(yi)(yi)(yi)方(fang)面在(zai)(zai)某個臨界溫度(du)以(yi)下電(dian)(dian)阻突降(jiang)至零(ling);另一(yi)(yi)(yi)方(fang)面還具(ju)有(you)完全(quan)抗磁(ci)(ci)(ci)性(xing)。一(yi)(yi)(yi)旦進入超(chao)(chao)導(dao)(dao)態,外(wai)界磁(ci)(ci)(ci)場完全(quan)進不(bu)(bu)去,材料(liao)內部磁(ci)(ci)(ci)感應(ying)強(qiang)度(du)為零(ling)。由于這兩大(da)特性(xing),超(chao)(chao)導(dao)(dao)體在(zai)(zai)強(qiang)、弱電(dian)(dian)領域具(ju)有(you)重(zhong)要的(de)應(ying)用前景。利(li)用超(chao)(chao)導(dao)(dao)材料(liao)替代普通金(jin)屬材料(liao),可以(yi)節約輸電(dian)(dian)過程中造成的(de)大(da)量(liang)熱損耗;可以(yi)組(zu)建超(chao)(chao)導(dao)(dao)發電(dian)(dian)機、變壓器、儲能環(huan);可以(yi)在(zai)(zai)較小(xiao)空(kong)間(jian)內實現強(qiang)磁(ci)(ci)(ci)場,從(cong)而獲得高(gao)分辨的(de)核磁(ci)(ci)(ci)共(gong)振成像;可以(yi)發展安(an)全(quan)高(gao)速(su)的(de)磁(ci)(ci)(ci)懸浮列車等等。近30年以(yi)來(lai),銅(tong)基超(chao)(chao)導(dao)(dao)體獲得了很(hen)大(da)進展,但(dan)是學術界一(yi)(yi)(yi)度(du)存(cun)在(zai)(zai)一(yi)(yi)(yi)種觀點,認為鐵(tie)(tie)(tie)元素不(bu)(bu)利(li)于形成超(chao)(chao)導(dao)(dao),超(chao)(chao)導(dao)(dao)性(xing)與鐵(tie)(tie)(tie)磁(ci)(ci)(ci)性(xing)無(wu)法共(gong)存(cun),材料(liao)中如果加入鐵(tie)(tie)(tie)、鎳等磁(ci)(ci)(ci)性(xing)元素,會大(da)大(da)降(jiang)低超(chao)(chao)導(dao)(dao)性(xing)。但(dan)是,在(zai)(zai)2008年2月,,日本東京工業大(da)學發現氟摻雜鑭(lan)氧鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化合物可以(yi)實現26K的(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)性(xing)。

  鐵(tie)基(ji)(ji)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體的(de)(de)發(fa)現(xian)宣布(bu)了超(chao)(chao)導(dao)(dao)理(li)(li)論(lun)(lun)和(he)研(yan)究(jiu)的(de)(de)重大(da)(da)突破(po)。緊接(jie)著(zhu),當年(nian)3月(yue)25日(ri),中國科(ke)(ke)(ke)技大(da)(da)學陳仙輝科(ke)(ke)(ke)研(yan)小組報(bao)(bao)告(gao),氟摻(chan)(chan)雜釤氧鐵(tie)砷(shen)(shen)(shen)(shen)化合物(wu)(wu)在(zai)臨(lin)界(jie)溫度43K時(shi)也變成(cheng)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體。3月(yue)28日(ri),中國科(ke)(ke)(ke)學院物(wu)(wu)理(li)(li)所趙(zhao)忠(zhong)賢科(ke)(ke)(ke)研(yan)小組報(bao)(bao)告(gao),氟摻(chan)(chan)雜鐠氧鐵(tie)砷(shen)(shen)(shen)(shen)化合物(wu)(wu)的(de)(de)超(chao)(chao)導(dao)(dao)臨(lin)界(jie)溫度可達52K;4月(yue)13日(ri)該科(ke)(ke)(ke)研(yan)小組又(you)發(fa)現(xian)氟摻(chan)(chan)雜釤氧鐵(tie)砷(shen)(shen)(shen)(shen)化合物(wu)(wu)在(zai)壓力環境下超(chao)(chao)導(dao)(dao)臨(lin)界(jie)溫度可進一步提升至(zhi)55K。新(xin)一代超(chao)(chao)導(dao)(dao)家族——鐵(tie)基(ji)(ji)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體就此誕生。在(zai)隨后幾年(nian)里,新(xin)的(de)(de)鐵(tie)砷(shen)(shen)(shen)(shen)化物(wu)(wu)和(he)鐵(tie)硒化物(wu)(wu)等(deng)鐵(tie)基(ji)(ji)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體系(xi)不(bu)斷被發(fa)現(xian),典型母體如鑭-鐵(tie)-砷(shen)(shen)(shen)(shen)-氧、鋇-鐵(tie)-砷(shen)(shen)(shen)(shen)、鋰-鐵(tie)-砷(shen)(shen)(shen)(shen)、鐵(tie)-硒等(deng)。研(yan)究(jiu)還發(fa)現(xian),鐵(tie)砷(shen)(shen)(shen)(shen)化物(wu)(wu)母體中摻(chan)(chan)雜磁(ci)性離子如鈷和(he)鎳反(fan)而會(hui)誘發(fa)超(chao)(chao)導(dao)(dao)電性,這大(da)(da)大(da)(da)推動了超(chao)(chao)導(dao)(dao)理(li)(li)論(lun)(lun)的(de)(de)發(fa)展。

  傳統理(li)論認為,通(tong)常的(de)(de)電子-聲子機制(zhi)下超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)臨界溫(wen)度(du)的(de)(de)上限是40K左(zuo)右(you),突(tu)(tu)破這(zhe)一溫(wen)度(du)極限的(de)(de)超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)被稱為高溫(wen)超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)。鐵基超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)是目前已發現的(de)(de)突(tu)(tu)破40K溫(wen)度(du)以上的(de)(de)兩大(da)超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)系(xi)列(銅氧化物超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)和鐵基超(chao)(chao)(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti))之(zhi)一。

  鐵基(ji)超(chao)導(dao)(dao)體由于其具有(you)金屬性(xing),比(bi)較容(rong)易被(bei)加(jia)工(gong)成(cheng)(cheng)線材(cai)和(he)帶(dai)材(cai),而其可(ke)承載的(de)上臨(lin)界磁(ci)場(chang)/臨(lin)界電流和(he)銅(tong)基(ji)超(chao)導(dao)(dao)體相當,甚至(zhi)有(you)可(ke)能更優越。中科院馬(ma)衍偉研究組成(cheng)(cheng)功研制出(chu)國際第一根10米量級的(de)高性(xing)能型(xing)鐵基(ji)超(chao)導(dao)(dao)長線,實現了(le)鐵基(ji)超(chao)導(dao)(dao)線帶(dai)材(cai)領域的(de)新突破。

  鐵基超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)表現出非常高(gao)的(de)磁(ci)場(chang)溫度比(bi)(bi),可(ke)以(yi)達到(dao)-10T/K。有(you)的(de)系統的(de)低溫上臨界(jie)(jie)磁(ci)場(chang)可(ke)接近(jin)100T,例(li)如,Ba0.6K0.4Fe2As2超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)的(de)上臨界(jie)(jie)磁(ci)場(chang)在(zai)低溫端非常高(gao),超(chao)(chao)出其他超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)系。因此(ci)可(ke)以(yi)預(yu)期(qi)鐵基超(chao)(chao)導(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai)強磁(ci)場(chang)磁(ci)體(ti)(ti)(ti)(ti)方面(mian)有(you)非常好的(de)應用(yong)前景。另外(wai),在(zai)FeSe0.5Te0.5超(chao)(chao)導(dao)薄膜中,盡管超(chao)(chao)導(dao)轉變(bian)溫度只有(you)18K左右,但是在(zai)4.2K和30T下,超(chao)(chao)導(dao)電(dian)流可(ke)以(yi)達到(dao)105A/cm2。這是一個(ge)非常高(gao)的(de)指標(biao),而且制(zhi)備技(ji)術(shu)是比(bi)(bi)較成熟(shu)的(de)脈(mo)沖激光沉積技(ji)術(shu)。利(li)用(yong)粉末套管和軋制(zhi)技(ji)術(shu),中國(guo)(guo)科學院電(dian)工所在(zai)Sr1-xKxFe2As2材(cai)料(liao)方面(mian)制(zhi)備出的(de)導(dao)線,在(zai)4.2K臨界(jie)(jie)電(dian)流已經達到(dao)105A/cm2,處于國(guo)(guo)際領(ling)先水平(ping)。