鐵基超導材料的研發

  超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)不(bu)同于(yu)一般金(jin)(jin)屬導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti),一方(fang)面(mian)在(zai)(zai)某個(ge)臨(lin)界(jie)溫(wen)度(du)(du)以(yi)(yi)下(xia)電(dian)(dian)阻(zu)突降(jiang)至零(ling);另一方(fang)面(mian)還(huan)具(ju)有完(wan)(wan)全(quan)(quan)抗磁(ci)性(xing)(xing)。一旦進入(ru)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)態,外界(jie)磁(ci)場(chang)完(wan)(wan)全(quan)(quan)進不(bu)去,材料(liao)內部磁(ci)感(gan)應強(qiang)(qiang)(qiang)度(du)(du)為(wei)(wei)零(ling)。由(you)于(yu)這兩大特性(xing)(xing),超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)在(zai)(zai)強(qiang)(qiang)(qiang)、弱(ruo)電(dian)(dian)領域具(ju)有重要的應用前景。利用超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)材料(liao)替(ti)代普通金(jin)(jin)屬材料(liao),可(ke)(ke)以(yi)(yi)節約輸電(dian)(dian)過程(cheng)中(zhong)造成(cheng)的大量(liang)熱損耗(hao);可(ke)(ke)以(yi)(yi)組(zu)(zu)建超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)發(fa)(fa)電(dian)(dian)機、變(bian)壓器(qi)、儲能(neng)環;可(ke)(ke)以(yi)(yi)在(zai)(zai)較小(xiao)空(kong)間內實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)強(qiang)(qiang)(qiang)磁(ci)場(chang),從(cong)而(er)獲得(de)高分(fen)辨(bian)的核磁(ci)共振成(cheng)像;可(ke)(ke)以(yi)(yi)發(fa)(fa)展(zhan)安全(quan)(quan)高速的磁(ci)懸浮列車(che)等(deng)等(deng)。近30年以(yi)(yi)來,銅(tong)基(ji)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)獲得(de)了(le)很大進展(zhan),但是(shi)學(xue)術界(jie)一度(du)(du)存在(zai)(zai)一種觀點,認為(wei)(wei)鐵(tie)(tie)(tie)元素不(bu)利于(yu)形成(cheng)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao),超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)性(xing)(xing)與鐵(tie)(tie)(tie)磁(ci)性(xing)(xing)無(wu)法(fa)共存,材料(liao)中(zhong)如果加(jia)入(ru)鐵(tie)(tie)(tie)、鎳等(deng)磁(ci)性(xing)(xing)元素,會大大降(jiang)低超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)性(xing)(xing)。但是(shi),在(zai)(zai)2008年2月,日(ri)本東(dong)京工業大學(xue)發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian)氟(fu)摻雜(za)鑭(lan)氧(yang)鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)可(ke)(ke)以(yi)(yi)實(shi)(shi)現(xian)(xian)(xian)26K的超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)性(xing)(xing)。鐵(tie)(tie)(tie)基(ji)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)的發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian)宣布了(le)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)理論(lun)和(he)研(yan)(yan)究的重大突破。緊接著,當(dang)年3月25日(ri),中(zhong)國(guo)科(ke)技大學(xue)陳仙輝(hui)科(ke)研(yan)(yan)小(xiao)組(zu)(zu)報告(gao),氟(fu)摻雜(za)釤氧(yang)鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)在(zai)(zai)臨(lin)界(jie)溫(wen)度(du)(du)43K時也變(bian)成(cheng)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)。3月28日(ri),中(zhong)國(guo)科(ke)學(xue)院物(wu)理所趙忠賢科(ke)研(yan)(yan)小(xiao)組(zu)(zu)報告(gao),氟(fu)摻雜(za)鐠氧(yang)鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)的超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)臨(lin)界(jie)溫(wen)度(du)(du)可(ke)(ke)達52K;4月13日(ri)該(gai)科(ke)研(yan)(yan)小(xiao)組(zu)(zu)又發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian)氟(fu)摻雜(za)釤氧(yang)鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化(hua)(hua)(hua)(hua)合物(wu)在(zai)(zai)壓力(li)環境下(xia)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)臨(lin)界(jie)溫(wen)度(du)(du)可(ke)(ke)進一步提升至55K。新一代超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)家族——鐵(tie)(tie)(tie)基(ji)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)就此(ci)誕生。在(zai)(zai)隨后幾年里,新的鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)和(he)鐵(tie)(tie)(tie)硒化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)等(deng)鐵(tie)(tie)(tie)基(ji)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)(ti)系不(bu)斷(duan)被發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian),典型(xing)母體(ti)(ti)(ti)(ti)如鑭(lan)-鐵(tie)(tie)(tie)-砷(shen)-氧(yang)、鋇-鐵(tie)(tie)(tie)-砷(shen)、鋰-鐵(tie)(tie)(tie)-砷(shen)、鐵(tie)(tie)(tie)-硒等(deng)。研(yan)(yan)究還(huan)發(fa)(fa)現(xian)(xian)(xian),鐵(tie)(tie)(tie)砷(shen)化(hua)(hua)(hua)(hua)物(wu)母體(ti)(ti)(ti)(ti)中(zhong)摻雜(za)磁(ci)性(xing)(xing)離子如鈷和(he)鎳反(fan)而(er)會誘發(fa)(fa)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)電(dian)(dian)性(xing)(xing),這大大推動了(le)超(chao)導(dao)(dao)(dao)(dao)(dao)理論(lun)的發(fa)(fa)展(zhan)。

  傳(chuan)統理論認為,通常的電(dian)子-聲子機制下(xia)超(chao)(chao)導(dao)(dao)臨界(jie)溫度的上限(xian)是40K左右,突(tu)破這一溫度極(ji)限(xian)的超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)被(bei)稱為高溫超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)。鐵基超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)是目前(qian)已發(fa)現(xian)的突(tu)破40K溫度以上的兩大超(chao)(chao)導(dao)(dao)系(xi)列(銅氧(yang)化物超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti)和(he)鐵基超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)(ti))之一。

  鐵(tie)基(ji)超(chao)導(dao)體(ti)由于其(qi)具(ju)有金屬(shu)性,比較容易被加工成(cheng)線(xian)材(cai)和帶材(cai),而其(qi)可承載的上臨(lin)界磁(ci)場/臨(lin)界電(dian)流和銅基(ji)超(chao)導(dao)體(ti)相(xiang)當(dang),甚至有可能(neng)更(geng)優越。中(zhong)科院馬(ma)衍偉研究組成(cheng)功研制出國際第一根10米(mi)量級(ji)的高(gao)性能(neng)型鐵(tie)基(ji)超(chao)導(dao)長線(xian),實(shi)現了鐵(tie)基(ji)超(chao)導(dao)線(xian)帶材(cai)領域的新突破。

  鐵基(ji)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)表現(xian)出(chu)(chu)非(fei)(fei)常高(gao)的(de)(de)磁(ci)場溫(wen)(wen)度(du)比,可(ke)以達到-10T/K。有(you)的(de)(de)系統的(de)(de)低(di)溫(wen)(wen)上(shang)臨(lin)界(jie)磁(ci)場可(ke)接近100T,例如,Ba0.6K0.4Fe2As2超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)的(de)(de)上(shang)臨(lin)界(jie)磁(ci)場在(zai)(zai)低(di)溫(wen)(wen)端非(fei)(fei)常高(gao),超(chao)(chao)出(chu)(chu)其他(ta)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)系。因此可(ke)以預期鐵基(ji)超(chao)(chao)導(dao)(dao)體(ti)在(zai)(zai)強磁(ci)場磁(ci)體(ti)方(fang)(fang)面(mian)有(you)非(fei)(fei)常好(hao)的(de)(de)應用前景。另(ling)外,在(zai)(zai)FeSe0.5Te0.5超(chao)(chao)導(dao)(dao)薄(bo)膜(mo)中(zhong),盡管超(chao)(chao)導(dao)(dao)轉(zhuan)變溫(wen)(wen)度(du)只有(you)18K左(zuo)右,但是在(zai)(zai)4.2K和30T下,超(chao)(chao)導(dao)(dao)電(dian)流可(ke)以達到105A/cm2。這是一個(ge)非(fei)(fei)常高(gao)的(de)(de)指標,而(er)且制備(bei)技(ji)術是比較成熟的(de)(de)脈(mo)沖(chong)激光沉積技(ji)術。利用粉末(mo)套(tao)管和軋(ya)制技(ji)術,中(zhong)國(guo)科(ke)學院電(dian)工(gong)所在(zai)(zai)Sr1-xKxFe2As2材(cai)料方(fang)(fang)面(mian)制備(bei)出(chu)(chu)的(de)(de)導(dao)(dao)線,在(zai)(zai)4.2K臨(lin)界(jie)電(dian)流已(yi)經達到105A/cm2,處于國(guo)際領先水(shui)平。