超导“小时代”(34)：铁器新时代

科学网   罗会仟的博客  2018-10-10 23:13
 

          图1：超导历史上的三个重要时代

自从超导性被发现以来，超导研究已有百余年。在发现的超导体中，除了常规的金属合金超导体之外，铜氧化物和铁基材料是两个非常重要的高温超导系列。铜氧化物高温超导研究可以被认为是超导史上的“黑铜时代” ，因为铜基超导材料多为黑色的；铁基超导体研究则可以认为是超导史上的“白铁时代” ，因为纯铁单质为银白色，而部分铁基超导母体也是银白色（图1）。

图2：铁基超导体中复杂的相互作用和可能的相位器件

图3：基于铁基超导薄膜的SQUID器件

超导研究的目标之一就是要使超导体实现零电阻、完全抗磁性以及宏观量子效应等独特性质，从而造福于人类。但是十分遗憾，超导的应用绝大部分都局限在金石时代的材料——金属合金超导体。例如在超导磁体、电动机、储能等强电应用装置上使用的大部分是Nb-Ti合金或者Nb₃Sn等；基于超导约瑟夫森结的超导量子干涉仪（SQUID）等弱电应用器件也是以Nb为主，超导高频微波谐振腔更是以纯Nb腔体为主要技术。然而对于铜氧化超导体而言，尽管T_c要高的多，却因为天生脆弱和强烈各向异性等问题，其应用相当掣肘，强电应用远未能达到Nb-Ti线材等的规模，弱电方面仅仅在超导量子干涉仪和超导滤波器方面有少量应用。铁基超导材料被发现之后，关于铁基超导的应用研究还只是刚刚拉开帷幕。

铁基超导体具有典型的层状结构，相当于是Fe-As或Fe-Se层的堆叠，这与铜基超导体既类似又有所不同。铁基母体本来是巡游性较强的金属态，在面内存在着很强的局域相互作用，在面间则可能存在超导相位差甚至能隙变号（铜基材料是面内存在能隙变号的d波超导体）。利用铁基超导的这种独特性质，或许可制备新颖的量子器件（图2）。事实上，因为铁基超导具有很强的金属性，部分铁基超导体就是金属间化合物，薄膜器件的制备和加工工艺与传统金属超导体很接近。基于铁基超导薄膜的直流SQUID器件于2010年研制成功，并观测到了周期的电压调制和磁通噪声谱（图3）。 

图4：铁基超导体的上临界场及其各向异性

基于MgO带材的铁基超导涂层导体临界电流突破了10⁵ A/cm²，视乎预示铁基超导具有非常大的应用潜能（铜基材料中的YBa₂Cu₃O_7-x也适合做涂层导体，但需要尽量保持结晶取向一致以克服材料中的强烈各向异性）。超导态的各向异性一般用面内上临界场与面外上临界场的比值γ反映，它与材料特性以及温度相关。在各向异性明显的情形下，面外上临界场要小得多。如果晶粒取向杂乱无章，只要外界磁场高于面外上临界场，就会彻底破坏超导态，这种情况对强电应用极其不利。为此，YBa₂Cu₃O_7-x涂层导体的晶粒取向偏差角度必须在5°以内。铁基超导材料具有很高的上临界场，从50 T 到200 T不等，几乎和铜基超导体相当（图4）。但是，铁基超导体的各向异性并不大，例如Ba_1-xK_xFe₂As₂各向异性度γ在低温下几乎为1，其它铁基超导体的γ也不超过5，不过在超导区域不同的掺杂点的各向异性度会略有变化，比如BaFe_2-xNi_xAs₂中γ可由1变化到3左右（图4）。正是因为铁基超导近乎各向同性，意味着可以大大降低工艺的复杂度，晶粒取向偏差约束不再是必须因素，强电应用大有希望。

图5：铁基超导的磁通涡旋阵列和磁通相图

图6：磁体应用的三种例子：永磁体、超导块磁体、线圈磁体

无论是铜基还是铁基超导体，它们都是二类超导体。因此，对它们的强电应用都要遭遇有关磁通动力学的问题。铜氧化物属于极端二类超导体，磁通动力学行为非常丰富，特别是磁通可运动区域非常之大，必定产生很大的能量耗散。铁基超导体中的磁通涡旋也能形成三角格子，同样存在丰富的动力学行为，包括从磁通固态到磁通玻璃态，再到磁通液态等（图5）。相对来说，铁基超导的磁通动力学区域范围并不大，应该对强电应用有利，不过有关铁基超导材料磁通运动方面的研究还非常少。

图7：铁基超导线带材的临界电流密度

图8：（a）铁基超导线带材剖面图；（b）世界首根百米级铁基超导线材

超导强电应用的一个重要方面就是输出，特别是14 T以上的高场磁体，在高能粒子加速器、高分辨功能核磁共振成像、人工可控核聚变等方面都具有不可替代的重要用途。超导磁体实现方式有两种：超导块磁体和超导线圈磁体。传统的永磁体（如铁氧体等）中原子磁矩排列成方向一致的铁磁态，超导块磁体则是由多个超导块材堆叠在一起来实现的，超导线圈磁体就是基于电磁感应螺线管原理实现的电磁铁。因为超导材料电阻为零，一旦在线圈磁体内部通入电流并保持线圈闭合，那么磁体产生的磁场就是稳定存在不会衰减的（图6）。核磁共振成像仪大都是超导磁体，较强的磁场（约3 T）是一直都有，所以进入检测房间不能带入任何金属或磁性物品。超导磁体的应用极度依赖于超导线材的临界电流密度，一般来说在4.2 K下要求临界电流密度J_c在10⁵ A/cm²量级。超导磁体使用最为广泛的传统Nb-Ti线中的J_c，会随磁场增加而剧烈衰减。铜基超导体的J_c也能满足甚至超越这一标准，但同样存在磁场衰减和强烈各向异性的问题。铁基超导体的J_c随不同体系存在很大差异，其中最强的为122型结构的Sr_1-xK_xFe₂As₂或Ba_1-xK_xFe₂As₂，完全达到了10⁵ A/cm²的实用化标准（图7）。采用类似Bi2212圆线制备技术——粉末套管法，可以制备出多芯的铁基超导圆线，但是需要采用银、铜、铌等作为包套金属材料来保护线材。
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