方法使材料在更高的温度下无电阻地携带更多的电流

   日期:2020-05-22     浏览:19    评论:0    
核心提示:方法使材料在更高的温度下无电阻地携带更多的电流布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)科学家们用低能质子辐照

方法使材料在更高的温度下无电阻地携带更多的电流
布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)

科学家们用低能质子辐照超导铁基薄膜后,该小组的其中一个薄膜的电子显微镜图像显示了由此产生的缺陷链(黄色箭头表示)。插图显示了一个典型缺陷链的放大视图。资料来源:布鲁克海文国家实验室
与传统超导体相比,铁基超导体可以在异常高的温度下无电阻导电,而传统超导体必须被冷却到接近绝对零度(零下459华氏度)才能释放其超导能力。此外,在超导性被抑制之前,它们相对容易弯曲,在高磁场下可以很容易地向不同方向输送电流。这些特性使得铁基超导体有望应用于先进的能源应用,从电动汽车到风力涡轮机和医疗成像设备。然而,与其他超导体相比,它们所能携带的电流量一直很低。科学家们一直在试图增加这一数量,但这样做的代价往往是降低另一个关键的超导特性——超导产生的临界温度。


现在,一组科学家想出了一种方法,可以让铁基材料在不失去超导特性的情况下,同时提高材料的临界温度,从而将电流增加一倍。他们的方法,发表在今天出版的《自然通讯》杂志上的一篇论文中,利用了一种现成的技术,可以用来提高超导导线和磁带的性能。

”通过与质子轰击材料在低能量,我们同时增加了材料的载流量和临界温度,这第一次是不可能在一个铁基超导体,”物理学家羌族Li说先进能源材料集团主管美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的研究。“世界各地都有低能耗的离子设备可以以低廉的价格做到这一点。”

向超导材料发射离子是一种成熟的方法,它可以人为地在材料的晶体结构或化学结构中引入缺陷,以增加它们所能携带的电流。当超导体被置于强磁场中时,就会形成微小的磁涡旋,比如磁共振成像仪中的磁体产生的磁涡旋。如果可以自由移动,涡旋就会耗散能量,从而破坏超导体传输电流而不损失能量的能力。

不幸的是,如果离子辐照产生的缺陷在超导体中造成了太多的混乱,就会降低其临界温度。由于超导体目前需要极度冷却才能无电阻导电,因此临界温度的任何降低都是不可取的。

从金发女孩的角度来看,缺陷必须是“刚刚好”的——不是太大,也不是太小。科学家可以通过选择合适的离子种类(如质子、金离子、氩离子)和离子能量来设计这种缺陷。

布鲁克海文国家实验室的物理学家羌族李(右)和材料科学家一派吴在电子显微镜实验室在凝聚态物理和材料科学部门布鲁克海文实验室。李和他的团队使用电子显微镜研究微观结构缺陷,出现在一个铁基超导材料在材料与低能质子轰击。这些缺陷导致晶格局部压缩或拉伸,就像电脑屏幕上的彩色应变“地图”所显示的那样。分析瓦解的结构起源的同时增强两个铁基超导体的超导性质:温度的材料就能进行电流没有能量损失,目前材料的数量可以携带而不丧失这种能力。资料来源:布鲁克海文国家实验室
“一些离子或能量可能造成足够大的破坏,干扰超导性,而其他可能根本不会产生任何影响,”合著者Toshinori Ozaki解释说,他曾是布鲁克海文实验室先进能源材料小组的科学家,现在是日本宽世学院大学的教师。“因此,我们进行模拟,以找出哪种组合会产生最佳缺陷——一种既能抑制磁涡旋,又不会对材料的超导性能产生负面影响的缺陷。”

 

在研究小组研究的铁基材料中,低能质子成功了。利用电子显微镜,科学家们拍摄了这些薄膜(大约100纳米厚)的图像

 
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