鐵基超導(dǎo)材料的研發(fā)

  超導(dǎo)體不同于一般金屬導(dǎo)體,一方面在某個(gè)臨界溫度以下電阻突降至零;另一方面還具有完全抗磁性。一旦進(jìn)入超導(dǎo)態(tài),外界磁場完全進(jìn)不去,材料內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。由于這兩大特性,超導(dǎo)體在強(qiáng)、弱電領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。利用超導(dǎo)材料替代普通金屬材料,可以節(jié)約輸電過程中造成的大量熱損耗;可以組建超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、變壓器、儲能環(huán);可以在較小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)磁場,從而獲得高分辨的核磁共振成像;可以發(fā)展安全高速的磁懸浮列車等等。近30年以來,銅基超導(dǎo)體獲得了很大進(jìn)展,但是學(xué)術(shù)界一度存在一種觀點(diǎn),認(rèn)為鐵元素不利于形成超導(dǎo),超導(dǎo)性與鐵磁性無法共存,材料中如果加入鐵、鎳等磁性元素,會大大降低超導(dǎo)性。但是,在2008年2月,日本東京工業(yè)大學(xué)發(fā)現(xiàn)氟摻雜鑭氧鐵砷化合物可以實(shí)現(xiàn)26K的超導(dǎo)性。鐵基超導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)宣布了超導(dǎo)理論和研究的重大突破。緊接著,當(dāng)年3月25日,中國科技大學(xué)陳仙輝科研小組報(bào)告,氟摻雜釤氧鐵砷化合物在臨界溫度43K時(shí)也變成超導(dǎo)體。3月28日,中國科學(xué)院物理所趙忠賢科研小組報(bào)告,氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的超導(dǎo)臨界溫度可達(dá)52K;4月13日該科研小組又發(fā)現(xiàn)氟摻雜釤氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下超導(dǎo)臨界溫度可進(jìn)一步提升至55K。新一代超導(dǎo)家族——鐵基超導(dǎo)體就此誕生。在隨后幾年里,新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導(dǎo)體系不斷被發(fā)現(xiàn),典型母體如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等。研究還發(fā)現(xiàn),鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發(fā)超導(dǎo)電性,這大大推動(dòng)了超導(dǎo)理論的發(fā)展。

  傳統(tǒng)理論認(rèn)為,通常的電子-聲子機(jī)制下超導(dǎo)臨界溫度的上限是40K左右,突破這一溫度極限的超導(dǎo)體被稱為高溫超導(dǎo)體。鐵基超導(dǎo)體是目前已發(fā)現(xiàn)的突破40K溫度以上的兩大超導(dǎo)系列(銅氧化物超導(dǎo)體和鐵基超導(dǎo)體)之一。

  鐵基超導(dǎo)體由于其具有金屬性,比較容易被加工成線材和帶材,而其可承載的上臨界磁場/臨界電流和銅基超導(dǎo)體相當(dāng),甚至有可能更優(yōu)越。中科院馬衍偉研究組成功研制出國際第一根10米量級的高性能型鐵基超導(dǎo)長線,實(shí)現(xiàn)了鐵基超導(dǎo)線帶材領(lǐng)域的新突破。

  鐵基超導(dǎo)體表現(xiàn)出非常高的磁場溫度比,可以達(dá)到-10T/K。有的系統(tǒng)的低溫上臨界磁場可接近100T,例如,Ba0.6K0.4Fe2As2超導(dǎo)體的上臨界磁場在低溫端非常高,超出其他超導(dǎo)體系。因此可以預(yù)期鐵基超導(dǎo)體在強(qiáng)磁場磁體方面有非常好的應(yīng)用前景。另外,在FeSe0.5Te0.5超導(dǎo)薄膜中,盡管超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有18K左右,但是在4.2K和30T下,超導(dǎo)電流可以達(dá)到105A/cm2。這是一個(gè)非常高的指標(biāo),而且制備技術(shù)是比較成熟的脈沖激光沉積技術(shù)。利用粉末套管和軋制技術(shù),中國科學(xué)院電工所在Sr1-xKxFe2As2材料方面制備出的導(dǎo)線,在4.2K臨界電流已經(jīng)達(dá)到105A/cm2,處于國際領(lǐng)先水平。