鐵基超導材料的研發(fā)

  超導體不同于一般金屬導體,一方面在某個臨界溫度以下電阻突降至零;另一方面還具有完全抗磁性。一旦進入超導態(tài),外界磁場完全進不去,材料內部磁感應強度為零。由于這兩大特性,超導體在強、弱電領域具有重要的應用前景。利用超導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;可以組建超導發(fā)電機、變壓器、儲能環(huán);可以在較小空間內實現強磁場,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,銅基超導體獲得了很大進展,但是學術界一度存在一種觀點,認為鐵元素不利于形成超導,超導性與鐵磁性無法共存,材料中如果加入鐵、鎳等磁性元素,會大大降低超導性。但是,在2008年2月,日本東京工業(yè)大學發(fā)現氟摻雜鑭氧鐵砷化合物可以實現26K的超導性。鐵基超導體的發(fā)現宣布了超導理論和研究的重大突破。緊接著,當年3月25日,中國科技大學陳仙輝科研小組報告,氟摻雜釤氧鐵砷化合物在臨界溫度43K時也變成超導體。3月28日,中國科學院物理所趙忠賢科研小組報告,氟摻雜鐠氧鐵砷化合物的超導臨界溫度可達52K;4月13日該科研小組又發(fā)現氟摻雜釤氧鐵砷化合物在壓力環(huán)境下超導臨界溫度可進一步提升至55K。新一代超導家族——鐵基超導體就此誕生。在隨后幾年里,新的鐵砷化物和鐵硒化物等鐵基超導體系不斷被發(fā)現,典型母體如鑭-鐵-砷-氧、鋇-鐵-砷、鋰-鐵-砷、鐵-硒等。研究還發(fā)現,鐵砷化物母體中摻雜磁性離子如鈷和鎳反而會誘發(fā)超導電性,這大大推動了超導理論的發(fā)展。

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

  鐵基超導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體相當,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長線,實現了鐵基超導線帶材領域的新突破。

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