分享

材料委好文:一文读懂超导材料(全球格局、前沿发展等)

 前沿材料 2020-09-17

超导体具有零电阻、抗磁性以及宏观量子效应等特殊物理性质,应用领域非常广泛。迄今为止已发现各种超导体达数千种,包括金属、合金、化合物以及有机物等,但是能够制成实用材料的超导体是十分有限的。在强电应用领域,目前各国研究人员研发和生产的重点是YBCO第二代高温超导带材,并认为其是未来超导材料发展的主要方向;在弱电应用领域,近年来基于超导 Josephson 结的超导量子计算研究成为新的研究前沿。根据2018年 Business Wire 公布的数据显示,2017年全球超导应用市场规模高达 61.6亿美元,预计2023年复合年均增长率超过11%。


近年来,以
美国、日本和欧盟为代表的发达国家积极推进高温超导材料及其应用领域的研究,取得了多项重大突破。高温超导材料大规模产业化的目标日趋接近。据日本理化学研究所(RIKEN)2018年11月2日的官方报道,由日本理化学研究所放射光科学综合研究中心(NMR)研究开发部门超高磁场磁体开发小组、住友电气工业株式会社电力系统研究开发中心下一代超导开发室、JASTEC株式会社(Japan Superconductor Technology)、 日本电子株式会社(JEOLRESONANCE)以及科学技术振兴机构组成的联合研发小组,利用包含高温超导带材接头的持久电流核磁共振装置,成功获得了核磁共振信号。


我国在超导材料领域的研究进展基本与国际同步。其中,低温超导材料、超导弱电应用以及超导强电应用领域的研究已达到或接近国际先进水平。我国NbTi线材性能和性价比已优于发达国家,Nb3Sn线材综合水平与发达国家相当。
在超导电力设备的某些领域(例如限流器)已经达到国际领先水平。超导磁体的研究近些年也有较大进步,缩小了与发达国家的差距。在高温超导薄膜材料制备与高温超导滤波器应用技术研究方面,初步建立了较完整的产业链,多项研究成果达到国际先进水平。2019年2月21日国家能源局官方消息,中国首条公里级高温超导电缆示范工程启动大会在上海宝山城市工业园区举行,这意味着高温超导电缆示范工程作为上海加快超导技术产业化的重要突破口,已经做好了技术储备、工程建设、人才团队、产业承载的各项准备,标志着我国超导电缆实用产业化正式起步。


从全球范围内来看, 美国、欧洲及日本等国在超导材料领域的研发处于领先水平。欧美日对于超导材料的研究较为深入和成熟,2018年发表多篇理论性研究,且在提高临界超导温度和研发室温超导方面获得突破性进展。部分团队将研究重点放在石墨烯超导性,以及加压状态的超导性。据美国马里兰大学 2018年4月6日报道,美国马里兰大学的研究人员在超低温度下观察到 YPtBi 呈现一种新型的超导性,且与依赖于电子相互作用相关。与我们迄今所见的常规超导体中的配对电子的作用完全不同。在 YPtBi 这种特殊的材料中,研究人员发现电子自旋态并非为常规的1/2,而是有另一种自旋态,即3/2。通过研究发现,随着材料从绝对零度升温,材料的磁通量呈线性增加,而不是呈指数级增长,这正是超导体的重要特性。


国内学术进展主要体现在机理研究、薄膜制备工艺以及马约拉纳边界态的研究上。铁基超导方面, 南京大学闻海虎教授团队首次利用电子驻波的相位敏感实验,发现了没有空穴费米面的铁基超导体仍然具有能隙符号反转行为, 因此统一了铁基超导体能隙结构的认识,即超导电子配对均可能来自于反铁磁的自旋涨落效应,这项研究对铁基超导机理问题的解决将起到重要推动作用。除铁基超导外,我国也一直在超导基础理论研究中探索。2018年11月5日,浙江大学关联物质研究中心袁辉球、刘洋、美国劳伦斯-伯克利国家实验室 Michael Smidman 团队与杭州师范大学物理系曹超教授发表在Nature Commun 上的文章讲述了其团队在重费米子半金属 YbPtBi 中发现外尔费米子的实验证据。


在科技部、自然科学基金委、中国科学院以及教育部高校的支持下,我国在新型超导材料与基础研究方面已有一定的积累,某些领域已处于国际前沿。在非常规超导机理方面,我国已具备比较完善的样品制备和测试条件。目前我国已与美国、日本以及欧洲的科学家形成了并驾齐驱的局面。结合我国现有研究基础,在未来实用化超导材料的研究及应用方面,建议进一步的研究重点如下:在超导应用材料领域设立重点专项,结合大型超导应用设备,推动我国高温超导材料的研究及应用;我国应利用高端仪器设备推动超导磁体的发展;继续进行新型超导材料的研究等。




本文作者:材料委天津院

    转藏 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多