超导线创下电流容量新纪录

SUNY at Buffalo/McMaster University/LAMBDA

几十年来，超导体激发了人们对非凡技术突破的梦想（https://spectrum.ieee.org/tag/superconductors），但它们的许多实际应用仍然遥不可及。现在，一项新的研究揭示了可能是世界上性能最高的高温超导导线，其载流量是之前记录保持者的50%。科学家们补充说，这一进展是在不增加成本或目前制造超导导线的复杂性的情况下实现的。

超导体（https://spectrum.ieee.org/superconducting-diode）以零电阻导电。经典的超导体仅在低于30开尔文的超低温下工作。相比之下，高温超导体可以在77 K以上的温度下工作，这意味着它们可以使用围绕液氮冷却剂构建的相对便宜且负担较轻的低温技术冷却到超导性（https://aiimpacts.org/historic-trends-in-the-maximum-superconducting-temperature/）。

常规电导体在一定程度上都会阻碍电子流动，导致能量浪费。超导体在不耗散能量的情况下导电的事实长期以来一直让人们期待实现更高效的电网。此外，电流通过方式意味着超导体可以作为强大的电磁铁，用于磁悬浮列车、更好的医学MRI扫描仪、风力涡轮机发电量翻倍和核聚变发电厂等应用。

纽约布法罗大学RENEW研究所的创始主任Amit Goyal说：“今天，世界各地的公司都致力于制造长达一公里的高温超导体线。”

然而，在研究人员找到一种更具成本效益的方法制造高温超导导线之前，超导体的许多大规模应用可能还只是幻想。

在这项新的研究中，研究人员打造的这种HTS导线在所有磁场强度和5K到77K的温度下，都实现了最高的临界电流密度和钉扎力，不仅刷新了世界记录，更在性价比上实现了显著提升 —— 制造新电线所需的工艺并不比目前用于制造高温超导电线的工艺复杂或昂贵。

Goyal说：“不仅如此，它的厚度仅有0.2微米，比人类头发的千分之一还要薄，但就是这样一层超薄的材料，却可以承载此前HTS导线10倍厚度才能达到的电流密度。”

新型HTS导线在4.2K（-269°C）的极低温度和7特斯拉的强磁场条件下，每平方厘米的超导材料能够承载高达1.9亿安培的电流。Goyal和他的同事们指出，这比2022年（https://www.nature.com/articles/s41427-022-00432-1）报告的结果好50%，比2021年（https://www.nature.com/articles/s41598-021-87639-4）详细报告的结果整整好100%。他们补充说，这一数字是普通铜线承载能力的约10万倍，且在20K（-253°C）的条件下，即使在7特斯拉磁场下，该材料也能稳定传输超过6000万安培的电流。

商业高温超导体线成功的另一个关键因素是钉扎力——将磁涡流钉扎在超导体内的能力，否则可能会干扰电子流。（因此，从这个意义上说，更高的钉扎力值在这里更好——更有利于这种高容量、高温超导体的预期应用范围。）在7特斯拉磁场下，新导线在4.3 K下显示出超过6.4万亿牛顿的创纪录钉扎力。这是2022年之前报告结果的两倍多（https://www.nature.com/articles/s41427-022-00432-1）。

新型导线基于稀土钡铜氧化物（REBCO）。这些导线在超导体内以纳米级间距使用纳米级绝缘非超导锆酸钡柱，这有助于抑制磁涡流，从而产生更高的超电流。

Goyal说，研究人员在优化沉积工艺几年后取得了这些成果。他补充道：“我们认为高温超导体导线的性能仍然可以显著提高。我们有几种途径可以获得更好的性能，并将继续探索这些途径。”

Goyal说，基于这些结果，高温超导体线材制造商“有望进一步优化其沉积条件，以提高线材的性能”。一些公司可能会在短时间内做到这一点。

希望超导体公司能够在不对当今制造工艺进行太多改变的情况下显著提高性能。Goyal说：“如果高温超导体线制造商甚至可以在保持资本设备成本不变的情况下，将商用高温超导体的性能提高一倍，这可能会对超导体的大规模应用产生革命性的影响。”

8月7日，科学家们在《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的发现（https://www.nature.com/articles/s41467-024-50838-4）。