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摘要：研究小组基于结合“磁通钉扎点控制”和“载流子密度控制”的新材料设计指南，创造了一种铜氧化物高温超导材料YBa₂Cu₃O_y（Y123）薄膜线材，并在液氦沸点温度（-269℃）下实现了世界上最高的超导临界电流密度150MA/cm²，是所有超导材料中最高的。同时，根据该指南，还在铁基超导材料BaFe₂(As_1-_xP_x)2(Ba122:P)薄膜中实现了世界上最高的超导临界电流密度，从而证实了该设计指南对不同类型超导材料的有效性。

关键字：新材料设计指南、铜氧化物高温超导材料、薄膜线材、磁通钉扎点控制、载流子密度控制

要点

基于新材料设计指南，制备出了铜氧化物高温超导材料YBa₂Cu₃O_y的薄膜线材，并实现了世界上最高超导临界电流密度150MA/cm²（1.5亿安培/平方厘米）。
本研究制备的YBa₂Cu₃O_y薄膜线材即使在18特斯拉的高磁场下也能实现所有超导材料中最高的超导临界电流密度。
有望进一步提高在磁场下需要高超导临界电流的核聚变发电、先进医疗诊断设备、先进分析设备和磁悬浮列车等的性能，降低成本，缩小体积。

研究背景

超导是唯一可以在零电阻下通过大电流（超导电流）的材料。因此，图2所示的各种应用备受期待。为了这些应用，在磁场下需要高超导电流。由以往的研究可知，①能够抑制量子化磁通量进入超导体内的磁通钉扎点（非超导）粒子的引入能够有效提高超导电流；此外，②载流子密度越高，许多超导体的超导临界电流密度越高。

图1.基于新材料设计指南，显著增加的超导临界电流在YBa₂Cu₃O_y超导薄膜中流动的示意图

为了显着提高实际应用中的超导临界电流密度，需要一个结合①和②的新材料设计指南（见图1）。然而，在制备Y123薄膜的传统方法中，磁通钉扎点的引入会降低超导相的结晶度，并且由于施加了应变，存在载流子密度降低的问题。因此，①和②难以结合，而由于通过对①和②的单独控制已达到极限，因此超导临界电流密度已达到了天花板。

图2.超导临界电流显著增加的超导薄膜线材的应用场景

研究成果

本研究通过应用独特的薄膜制备方法，①对超导相引入非相干（与粒子界面处的晶格不连续）非常规导电相BaHfO₃纳米粒子，成功地引入了对Y123薄膜的结晶度和晶格常数几乎没有影响的高密度(80×10²¹个/m³)磁通钉扎点（见图3（左））；②通过控制氧气氛下的热处理，向引入了BaHfO₃的Y123薄膜的CuO链中注入高密度氧以控制载流子密度，成功地改进了作为特别重要参数的热力学临界磁场（见图3（右））。

图3.通过结合磁通钉扎点和载流子控制显着增加超导临界电流的新材料设计指南

结果表明，本研究在世界上率先实现了①和②的结合，改善了对提高超导电流十分关键的各个参数，实现了世界上最高的超导临界电流密度。此外，为了制备不同类型的铁基超导Ba122:P薄膜，应用了独特的薄膜制备方法，并通过结合①和②，成功地提高了引入BaZrO₃的Ba122:P薄膜的特性。

图4.各种超导材料在液氦沸点温度（-269℃）下的超导临界电流密度（无磁场）

图4显示了具有不同超导表现温度（超导转变温度、Tc）的超导材料在液氦沸点温度（-269℃）下，且没有外部磁场时的超导临界电流密度（Jc）。图中的实心图标表示在每种超导材料中引入磁通钉扎点的材料。由此可知，磁通钉扎点的引入提高了所有超导材料中的超导电流。此外，从图中可以看出，根据本材料设计指南制备的Y123薄膜线材在所有材料中具有最高的超导临界电流密度150MA/cm²。

图5.各种超导材料在液氦沸点温度（-269℃）下的磁场中超导临界电流密度

图5显示了超导电磁铁应用中最重要的磁场中超导临界电流密度。如图所示，基于本设计指南制备的Y123超导薄膜线材在高达18T的高磁场下，成功获得了世界上最高的超导临界电流密度。

本研究成功制备出具有高超导临界电流密度的Y123线材，有望应用于以液氦为冷却剂的大型强子对撞机加速器[～20T]、核聚变发电[～20T]、用于分子结构分析的核磁共振(NMR)设备[～24T]、研究用磁共振断层扫描(MRI)设备[～10T]、医疗用MRI设备[～3T]和磁悬浮列车[～1.5T]等。

此外，本研究制备的Y123薄膜线材在液氮沸点温度（-196℃）下实现了9.5MA/cm²（无外磁场）的世界上最高超导电流密度。据此，有望应用于此前被认为难以实现的以液氮为冷却剂的超导蓄电设备（SMES）[～5T]、飞机用超导电机[～3T]、医用核磁共振MRI[～3T]、发电机[～3T]等。

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创造具有世界最高超导临界电流密度的薄膜线材——液氦沸点温度(-269℃)下达到了150MA/cm2