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脈沖激光沉積法是用激光束燒蝕一種材料，然后在基底上沉積成薄膜，這種方法被用來(lái)制造 HTS 金屬絲。資料來(lái)源：布法羅大學(xué)

然而，要實(shí)現(xiàn)這些大規(guī)模應(yīng)用，就必須制造出性價(jià)比與當(dāng)?shù)匚褰鸬瓿鍪鄣钠胀ㄣ~線相當(dāng)?shù)?HTS 線纜。

由布法羅大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的新研究正在推動(dòng)我們向這一目標(biāo)靠近。在發(fā)表于《自然-通訊》（Nature Communications）的一項(xiàng)研究中，研究人員報(bào)告說(shuō)，他們已經(jīng)制造出世界上性能最高的 HTS 線材，同時(shí)使性價(jià)比指標(biāo)大大提高。

他們的導(dǎo)線以稀土氧化鋇銅（REBCO）為基礎(chǔ)，在 5 開(kāi)爾文到 77 開(kāi)爾文的所有磁場(chǎng)和溫度條件下，達(dá)到了迄今為止所報(bào)告的最高臨界電流密度和釘住力（分別指承載的電流強(qiáng)度和釘住磁渦旋的能力）。

這個(gè)溫度范圍仍然非常寒冷--零下 451華氏度到零下 321華氏度--但高于傳統(tǒng)超導(dǎo)體工作時(shí)的絕對(duì)零度。

該研究的通訊作者、紐約州立大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院化學(xué)與生物工程系特聘教授兼紐約州立大學(xué)帝國(guó)創(chuàng)新教授阿米特-戈亞爾（Amit Goyal）博士說(shuō)："這些結(jié)果將有助于指導(dǎo)業(yè)界進(jìn)一步優(yōu)化沉積和制造條件，從而大幅提高商用涂層導(dǎo)體的性價(jià)比，要想充分實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)體的眾多大規(guī)模應(yīng)用，就必須使性價(jià)比指標(biāo)更加有利"。

HTS 線材的應(yīng)用包括：能源生產(chǎn)，如將海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量提高一倍；電網(wǎng)級(jí)超導(dǎo)磁能存儲(chǔ)系統(tǒng)；能源傳輸，如在大電流直流和交流輸電線路中無(wú)損耗傳輸電力；以及以高效超導(dǎo)變壓器、電機(jī)和電網(wǎng)故障電流限制器的形式提高能源效率。

僅 HTS 線材的一個(gè)利基應(yīng)用--商業(yè)核聚變，就具有產(chǎn)生無(wú)限清潔能源的潛力。僅在過(guò)去幾年中，全球就成立了約 20 家私營(yíng)公司來(lái)開(kāi)發(fā)商業(yè)核聚變，僅為開(kāi)發(fā)這種應(yīng)用的 HTS 線材就投入了數(shù)十億美元。

HTS 線材的其他應(yīng)用包括用于醫(yī)學(xué)的下一代 MRI、用于藥物發(fā)現(xiàn)的下一代核磁共振 (NMR)，以及用于眾多物理應(yīng)用的高場(chǎng)磁鐵。此外，還有許多國(guó)防應(yīng)用，如開(kāi)發(fā)全電動(dòng)船舶和全電動(dòng)飛機(jī)。目前，全球大多數(shù)制造千米長(zhǎng)高性能 HTS 導(dǎo)線的公司都在使用 Goyal 及其團(tuán)隊(duì)之前開(kāi)發(fā)的一種或多種平臺(tái)技術(shù)創(chuàng)新。

這些技術(shù)包括滾動(dòng)輔助雙軸紋理基板 (RABiTS) 技術(shù)、LMOe 支持的離子束輔助沉積 (IBAD) 氧化鎂技術(shù)，以及通過(guò)同步相分離和應(yīng)變驅(qū)動(dòng)自組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)間距的納米柱狀缺陷。

在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志報(bào)道的這項(xiàng)工作中，Goyal 小組報(bào)告了基于 REBCO 的超高性能超導(dǎo)線材。

在 4.2 開(kāi)爾文的條件下，HTS 導(dǎo)線在沒(méi)有任何外部磁場(chǎng)（也稱為自場(chǎng)）的情況下每平方厘米可傳輸 1.9 億安培的電流，而在 7 特斯拉的磁場(chǎng)條件下每平方厘米可傳輸 9000 萬(wàn)安培的電流。

在 20 開(kāi)爾文（商業(yè)核聚變的設(shè)想應(yīng)用溫度）的較高溫度下，導(dǎo)線仍可在每平方厘米自場(chǎng)中傳輸超過(guò) 1.5 億安培的電流，在 7 特斯拉下每平方厘米傳輸超過(guò) 6 千萬(wàn)安培的電流。

就臨界電流而言，這相當(dāng)于在 4.2 開(kāi)爾文條件下，4 毫米寬的線段在自場(chǎng)條件下具有 1500 安培的超級(jí)電流，在 7 特斯拉條件下具有 700 安培的超級(jí)電流。在 20 開(kāi)爾文時(shí)，自場(chǎng)電流為 1,200 安培，7 特斯拉時(shí)為 500 安培。

值得注意的是，該團(tuán)隊(duì)的 HTS 薄膜雖然只有 0.2 微米厚，但其電流強(qiáng)度卻可與 HTS 薄膜厚近 10 倍的商用超導(dǎo)線媲美。

這些導(dǎo)線顯示出很強(qiáng)的釘住或固定磁渦旋的能力，在 4.2 開(kāi)爾文和 20 開(kāi)爾文的 7 特斯拉磁場(chǎng)下，釘住力分別為每立方米約 6.4 太牛頓和每立方米約 4.2 太牛頓。這是迄今為止所報(bào)告的在 5 開(kāi)爾文到 77 開(kāi)爾文的所有磁場(chǎng)和工作溫度下臨界電流密度和引力的最高值。

這些結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的商用 HTS 導(dǎo)線仍有可能大幅提高性能，從而降低相關(guān)成本。

HTS 線段是利用 (IBAD) 氧化鎂技術(shù)在基底上制造的，并通過(guò)同步相分離和應(yīng)變驅(qū)動(dòng)自組裝技術(shù)利用納米柱缺陷制造的。自組裝技術(shù)允許在超導(dǎo)體內(nèi)以納米級(jí)的間距加入絕緣或非超導(dǎo)納米柱。這些納米缺陷可以抑制超導(dǎo)渦流，從而產(chǎn)生更大的超電流。

Goyal說(shuō)："稀土摻雜、氧點(diǎn)缺陷和絕緣鋯酸鋇納米柱及其形態(tài)所產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)相結(jié)合，使得高臨界電流密度成為可能。"

他所領(lǐng)導(dǎo)的 UB 功能材料和器件異向共軸生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)室的博士后 Rohit Kumar 補(bǔ)充說(shuō)："HTS 薄膜是利用先進(jìn)的脈沖激光沉積系統(tǒng)，通過(guò)仔細(xì)控制沉積參數(shù)制成的。"

在脈沖激光沉積過(guò)程中，激光束撞擊目標(biāo)材料并燒蝕材料，然后在適當(dāng)放置的基底上沉積成膜。

"我們還利用麥克馬斯特大學(xué)加拿大電子顯微鏡中心最先進(jìn)的顯微鏡進(jìn)行了原子分辨率顯微鏡分析，以確定納米柱狀和原子尺度缺陷的特征，并在意大利薩萊諾大學(xué)進(jìn)行了一些超導(dǎo)特性測(cè)量，"Goyal 說(shuō)。

編譯自/ScitechDaily