我國鐵基超導材料向高磁場應用邁進 可應用于下一代粒子加速器

2月22日，科技日報記者從中國科學院高能物理研究所(以下簡稱高能所)獲悉，國際學術期刊《超導科技》發表我國科研人員的一項有關鐵基高溫超導的最新成果。

來自高能所和中國科學院電工研究所(以下簡稱電工所)的研究人員，基于百米鐵基超導帶材研制的長尺度跑道型線圈，在10特斯拉二極磁場下，實現超過零場環境80%的高載流性能，首次驗證了大尺寸鐵基超導線圈在高磁場領域應用的可行性，及其載流性能對背景場強相對不敏感的高場應用優越性。

這是繼2016年研制出首根百米級鐵基超導帶材、2019年完成小尺寸鐵基超導螺線管線圈24特斯拉性能驗證后，該團隊取得的又一重要進展。

中國科學家走在鐵基高溫超導研究最前沿

所謂超導，是指某些材料在溫度降低到某一臨界溫度以下時，電阻突然消失的現象。具備這種特性的材料稱為超導材料。超導材料的兩個基本性質是零電阻和完全抗磁性，這些不尋常的特性使其在科學研究、信息通訊、能源存儲、交通運輸、生物醫學等領域均有重大的應用前景。

1968年，美國物理學家麥克米蘭根據傳統理論計算推斷，超導材料的轉變溫度一般不能超過40開爾文(1開爾文約為-273℃)，這個溫度也被稱為麥克米蘭極限溫度。1986年，兩名歐洲科學家發現了以銅為關鍵組成元素的銅氧化物超導體，很快包括中國科學家在內的研究團隊將銅氧化物超導體的臨界轉變溫度提高到液氮溫區以上，突破了麥克米蘭極限溫度，學界將其稱為銅基高溫超導材料。

銅基高溫超導材料作為一類金屬陶瓷材料，加工工藝嚴苛，綜合成本相對較高。2008年2月，日本化學家細野在四方層狀的鐵砷化合物中發現存在轉變溫度為26開爾文的超導性，但因為沒有突破麥克米蘭極限溫度，還不能確定該材料是否為高溫超導材料。

我國科學家基于在此領域長期的研究經驗，敏銳地意識到，類似結構的鐵砷化合物中很可能存在更高超導轉變溫度。2008年3月，中國科學技術大學陳仙輝研究組和中國科學院物理研究所(以下簡稱物理所)王楠林研究組同時在鐵基中觀測到了43開爾文和41開爾文的超導轉變溫度，突破了麥克米蘭極限溫度，證明了鐵基超導材料為高溫超導材料;隨后，物理所趙忠賢研究組利用高壓合成技術高效地制備了一大批不同元素構成的鐵基超導材料，并創造了55開爾文的鐵基超導體轉變溫度紀錄。

目前，我國科學家走在了鐵基超導材料研究國際最前沿。“之前的超導理論認為超導性和鐵磁性不能共存，而鐵基超導材料的發現表明高溫超導機理研究還存在巨大的未知空間。”高能所研究員徐慶金說。

鐵基超導材料實用化正“爬坡過坎”

經國際物理學界認可，鐵基超導材料正式成為新一類高溫超導材料。更重要的是，鐵基超導材料還具有臨界磁場高、各向異性小、晶界臨界角大等一系列有利于實用化的優點。

從鐵基超導材料具有的優點看，它在中低溫高磁場領域具有較大的應用潛力，可充分發揮其臨界磁場高、各向異性小、制備成本低等優勢。比如，基于鐵基超導材料制備的高場超導磁體，有望大幅度提升磁體性能，降低目前高場磁體高昂的造價，在醫療核磁共振譜儀、先進能源、基礎科學研究裝置，以及電力及交通等領域具有重要的應用前景。

然而，“超導材料要實現強電高磁場應用，必須解決限制線材性能的微觀機理問題，突破其關鍵制備技術，從而獲得高磁場下高臨界電流、高機械強度以及較好的電磁穩定性等特性。”電工所研究員馬衍偉說。

2016年，電工所率先制備了百米量級的鐵基超導線材，為鐵基超導材料的實用化開啟了大門。2018年，高能所和電工所合作，基于超導帶材短樣研制出鐵基超導內插螺線管線圈，成功在24特斯拉的強磁場下獲得較高臨界電流，用實驗驗證了鐵基超導材料高場應用的可行性，2020年中國科學院強磁場中心在高達30特斯拉的強磁場背景下的測試進一步驗證了此結果。

與此同時，高能所和電工所合作團隊也開始了基于百米級鐵基超導帶材大尺寸超導線圈的研制及高場性能測試，目前最高10特斯拉二極背景場下的測試結果表明：鐵基超導線圈載流性能相對零磁場下損失小于20%，在高場下應用具有其獨特的優越性。

可應用于下一代粒子加速器

“目前我們已經在高性能鐵基超導線材方面獲得較大進展，但相對來說，實用化鐵基超導線材研究時間還很短，線材性能上還存在較大提升空間，制備工藝上也需要時間來進一步摸索優化的結構及參數。”徐慶金說。“本次成功驗證大尺寸鐵基超導線圈在高場領域應用的可行性，及其載流性能對背景場強相對不敏感的高場應用優越性，確實是一個很鼓舞人心的結果，證明研究團隊從幾年前開始推動的這項研究大方向沒有錯，也是科研團隊通力合作的結果。”

同時，這項研究得到了國際同行的高度評價。審稿人如此評價此項工作的重要意義：“這一新成果將對超導材料及磁體技術領域產生重要影響”“證明了鐵基超導材料用于發展下一代粒子加速器的巨大潛力”。

“未來進展順利的話，鐵基超導材料有望對下一代粒子加速器的發展產生重要影響，讓新一代高性能、低成本的高場超導磁體從理想變為現實，助力相關的基礎科學、高科技產業及人民健康的高質量發展。但是，目前的結果還只是階段性進展。”馬衍偉強調。

徐慶金表示，研究團隊未來將在此基礎上，繼續大幅度提升鐵基超導線帶材的載流及機械性能，推進高性能鐵基超導高場磁體技術的進一步探索及示范驗證。性價比大幅度提升的新一代高場超導磁體技術，不僅可以推動高性能粒子加速器及可控核聚變等大科學裝置的建設及相關基礎科學的發展，在能源、醫療、電力、交通等民生領域也將有著廣泛的應用。