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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，這種方法被用來制造 HTS 金屬絲。資料來源：布法羅大學

然而，要實現這些大規模應用，就必須制造出性價比與當地五金店出售的普通銅線相當的 HTS 線纜。

由布法羅大學領導的新研究正在推動我們向這一目標靠近。在發表于《自然-通訊》（Nature Communications）的一項研究中，研究人員報告說，他們已經制造出世界上性能最高的 HTS 線材，同時使性價比指標大大提高。

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

這個溫度范圍仍然非常寒冷--零下 451華氏度到零下 321華氏度--但高于傳統超導體工作時的絕對零度。

該研究的通訊作者、紐約州立大學工程與應用科學學院化學與生物工程系特聘教授兼紐約州立大學帝國創新教授阿米特-戈亞爾（Amit Goyal）博士說："這些結果將有助于指導業界進一步優化沉積和制造條件，從而大幅提高商用涂層導體的性價比，要想充分實現超導體的眾多大規模應用，就必須使性價比指標更加有利"。

HTS 線材的應用包括：能源生產，如將海上風力發電機的發電量提高一倍；電網級超導磁能存儲系統；能源傳輸，如在大電流直流和交流輸電線路中無損耗傳輸電力；以及以高效超導變壓器、電機和電網故障電流限制器的形式提高能源效率。

僅 HTS 線材的一個利基應用--商業核聚變，就具有產生無限清潔能源的潛力。僅在過去幾年中，全球就成立了約 20 家私營公司來開發商業核聚變，僅為開發這種應用的 HTS 線材就投入了數十億美元。

HTS 線材的其他應用包括用于醫學的下一代 MRI、用于藥物發現的下一代核磁共振 (NMR)，以及用于眾多物理應用的高場磁鐵。此外，還有許多國防應用，如開發全電動船舶和全電動飛機。目前，全球大多數制造千米長高性能 HTS 導線的公司都在使用 Goyal 及其團隊之前開發的一種或多種平臺技術創新。

這些技術包括滾動輔助雙軸紋理基板 (RABiTS) 技術、LMOe 支持的離子束輔助沉積 (IBAD) 氧化鎂技術，以及通過同步相分離和應變驅動自組裝技術實現納米級間距的納米柱狀缺陷。

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

在 4.2 開爾文的條件下，HTS 導線在沒有任何外部磁場（也稱為自場）的情況下每平方厘米可傳輸 1.9 億安培的電流，而在 7 特斯拉的磁場條件下每平方厘米可傳輸 9000 萬安培的電流。

在 20 開爾文（商業核聚變的設想應用溫度）的較高溫度下，導線仍可在每平方厘米自場中傳輸超過 1.5 億安培的電流，在 7 特斯拉下每平方厘米傳輸超過 6 千萬安培的電流。

就臨界電流而言，這相當于在 4.2 開爾文條件下，4 毫米寬的線段在自場條件下具有 1500 安培的超級電流，在 7 特斯拉條件下具有 700 安培的超級電流。在 20 開爾文時，自場電流為 1,200 安培，7 特斯拉時為 500 安培。

值得注意的是，該團隊的 HTS 薄膜雖然只有 0.2 微米厚，但其電流強度卻可與 HTS 薄膜厚近 10 倍的商用超導線媲美。

這些導線顯示出很強的釘住或固定磁渦旋的能力，在 4.2 開爾文和 20 開爾文的 7 特斯拉磁場下，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。這是迄今為止所報告的在 5 開爾文到 77 開爾文的所有磁場和工作溫度下臨界電流密度和引力的最高值。

這些結果表明，經過優化的商用 HTS 導線仍有可能大幅提高性能，從而降低相關成本。

HTS 線段是利用 (IBAD) 氧化鎂技術在基底上制造的，并通過同步相分離和應變驅動自組裝技術利用納米柱缺陷制造的。自組裝技術允許在超導體內以納米級的間距加入絕緣或非超導納米柱。這些納米缺陷可以抑制超導渦流，從而產生更大的超電流。

Goyal說："稀土摻雜、氧點缺陷和絕緣鋯酸鋇納米柱及其形態所產生的釘扎效應相結合，使得高臨界電流密度成為可能。"

他所領導的 UB 功能材料和器件異向共軸生長實驗室的博士后 Rohit Kumar 補充說："HTS 薄膜是利用先進的脈沖激光沉積系統，通過仔細控制沉積參數制成的。"

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

"我們還利用麥克馬斯特大學加拿大電子顯微鏡中心最先進的顯微鏡進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進行了一些超導特性測量，"Goyal 說。

編譯自/ScitechDaily