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美科学家找到铁基超导体电流量翻倍的方法
梅西 2016-10-18
导语

科学家团队提出了一种方法,可以在不损失铁基材料超导性能,同时又提高其临界温度的条件下,使其输送的电流量加倍,从而使得铁基超导体有望用于电动车辆、风力涡轮机、医学成像装置等先进能量应用中。

图:布鲁克黑文国家实验室物理学家李强(右)和材料学家Lijun Wu(左)

铁基超导体在超高温度下电阻为零,可以导电,而常规超导体只有在冷却至接近绝对零度(零下459华氏度)时才会表现出超导能力。此外,铁基超导体相对容易弯曲,并且在超导性能受到抑制之前,在高磁场中可在不同方向上传导电流。 这些特性使得铁基超导体有望用于电动车辆、风力涡轮机、医学成像装置等先进能量应用中。

然而,与其它超导体相比,铁基超导体可以承载的电流量较低。 科学家一直在努力提高其电流量,但这样常常会降低另一个关键性超导性能——临界温度,即超导性出现时的温度。

目前,一个来自布鲁克黑文国家实验室的科学家团队提出了一种方法,可以在不损失其超导性能的情况下,提高材料临界温度的条件下,使铁基材料携带的电流量加倍,该研究成果发表在Nature Communications中。

物理学家李强是布鲁克黑文国家实验室能源部先进能源材料团队的负责人,他负责该项研究。他说:“我们在低能量下用质子轰击材料,可同时提高材料的载流容量和临界温度——铁基超导体首次实现这样的结果。世界上有低能离子设备可以做到这一点,且成本不高。

轰击超导材料的离子,从而人为地在材料晶体结构或化学中引入缺陷以增加其可承载电流量,这是公认的方法。当超导体放置在强磁场(例如磁共振成像(MRI)机器中的磁体产生的磁场)时形成微观磁性涡流,而这些缺陷将钉扎在在微观磁性涡流中。 如果缺陷自由移动,涡流将消耗能量,从而破坏超导体在损失能量的情况下携带电流的能力。

不幸的是,如果离子辐射产生的缺陷在超导体中产生太多的无序,将会降低其临界温度。 目前超导体需要在极冷条件下才能在无电阻情况下导电,所以不要期望其临界温度有任何降低。

从Goldilocks意义来说,缺陷必须“恰到好处”——不能太大也不能太小。 科学家可以通过选择合适的离子种类(例如,质子,金离子,氩离子)和离子能量来设计这样的缺陷。布鲁克黑文实验室的前科学家,现任日本关西学院教员Toshinori Ozaki解释说:“一些离子或能量造成的损伤可能会太大,从而干扰超导性,也有些离子或能量则不会产生任何影响。 因此,我们可通过模拟来确定什么组合能产生最佳缺陷——最佳缺陷可以抑制磁性涡流,同时不会对材料的超导性能产生负面影响。”

该团队对铁基材料的研究发现低能质子可达到此效果。科学家使用电子显微镜拍摄了他们制备的薄膜材料用低能质子撞击前后(约100纳米厚)的图像。


布鲁黑客文的材料科学家Lijun Wu,Brookhaven负责镜检工作,他说:“在辐射过的薄膜中,我们可以看到入射离子和原子核之间碰撞产生了个别缺陷链,破坏了完美的原子顺序,从而导致晶格产生局部压缩或拉伸。 ”

在性能检测过程中,科学家测量了在低磁场和高磁场中流过薄膜的电流量。 在高磁场中,辐射膜承载的电流比任何低温超导体都多。 该结果表明,缺陷和局部晶格应变必须强烈钉扎在磁性涡流中,否则会阻碍电流流动。

为了弄清楚导致临界温度大幅提高的原因,该团队创建了一个应变“地图”,其中标记了局部压缩和拉伸区域。 先前的研究已经表明,晶格应变类型与临界温度有关:高度压缩的区域临界温度高,具高度拉伸的区域临界温度低。 在该团队制作的“地图”中,压缩的区域更多,从而导致整体临界温度有所提高。

据李强所说,这些性能的提高只是开始,“我们相信,通过微调缺陷结构和晶格应变的排列,可以进一步提高临界电流和温度。”

文章链接:

Toshinori Ozaki, et al, "A route for a strong increase of critical current in nanostrained iron-based superconductors," Nature Communications 7, Article number: 13036 (2016), doi:10.1038/ncomms13036

新闻链接:

A route for a strong increase of critical current in nanostrained iron-based superconductors

(本文转载自:材料牛网站;

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  • 铁基材料
  • 超导性能
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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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