鐵基超導(dǎo)體自2008年被發(fā)現(xiàn)以來就展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景——它能在高達(dá)上百特斯拉的強(qiáng)磁場(chǎng)下保持超導(dǎo)性，各向異性小，制造成本相對(duì)較低，被認(rèn)為是下一代核聚變反應(yīng)堆、粒子加速器、高場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)的理想材料。然而，要讓鐵基超導(dǎo)體真正走向?qū)嵱茫仨毚蠓岣咚妮d流能力。

科學(xué)家們?cè)缇椭溃诓牧蟽?nèi)部引入高密度的“位錯(cuò)”——一種線狀的晶體缺陷，是提高載流能力的有效途徑。但問題是，鐵基超導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)通常比較剛硬，化學(xué)鍵的強(qiáng)方向性使它像玻璃一樣脆，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法要么無法產(chǎn)生大量位錯(cuò)，要么可能直接導(dǎo)致材料破碎。這個(gè)矛盾困擾了科學(xué)界十多年。

最近，中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所、中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、國家納米科學(xué)中心等單位，通過創(chuàng)新的“非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)”策略，成功在鐵基超導(dǎo)體中引入了密度高達(dá)每平方毫米15億個(gè)的位錯(cuò)，使載流能力提升了3倍，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

位錯(cuò)：晶體世界的“錯(cuò)位密碼”

位錯(cuò)是材料科學(xué)中最重要也最難理解的概念之一。讓我們從一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻開始：想象一個(gè)整齊的方陣，就像閱兵式中的士兵隊(duì)列。正常情況下，每個(gè)士兵都站在固定的位置上，橫豎成行，整齊劃一。現(xiàn)在假設(shè)其中一排士兵站錯(cuò)了位置——比如，本該站在第五排的士兵站到了第四排，這樣在原來的第三排和第五排之間，就產(chǎn)生了一個(gè)“錯(cuò)位”。由于組成晶體的原子網(wǎng)絡(luò)是三位結(jié)構(gòu)，因此這個(gè)錯(cuò)位并非孤立存在，而是會(huì)像拉鏈一樣沿著某個(gè)方向延伸，形成一條錯(cuò)位線。

在晶體材料中，原子就像這些士兵，按照特定的規(guī)律排列，而“位錯(cuò)”就是原子排列中的這種線狀“錯(cuò)位”。具體來說，位錯(cuò)是晶體中一部分原子面發(fā)生了滑移，而另一部分保持原位，在滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界處就形成了位錯(cuò)線。

兩種類型的位錯(cuò)（可以將其簡(jiǎn)單理解為錯(cuò)位的積木）

（維基百科）

位錯(cuò)的尺寸極其微小——它的核心寬度通常只有幾個(gè)原子間距，大約2-5納米（一根頭發(fā)絲的兩萬分之一）。但位錯(cuò)線可以很長，延伸幾百甚至幾千納米。這種一維的線狀特征使位錯(cuò)具有獨(dú)特的性質(zhì)。

在金屬中，位錯(cuò)就像潤滑劑，讓原子層可以相對(duì)滑動(dòng)。當(dāng)我們彎曲一根鐵絲時(shí)，實(shí)際上是無數(shù)位錯(cuò)在晶體內(nèi)部移動(dòng)、增殖和重新排列。這就是為什么金屬可以被鍛造、軋制、擠壓或者拉伸而不斷裂——位錯(cuò)提供了塑性變形的微觀機(jī)制。典型的金屬在加工后，位錯(cuò)密度可達(dá)每平方毫米10億個(gè)，而嚴(yán)重塑性變形金屬中的位錯(cuò)密度可達(dá)到每平方毫米100億個(gè)。

超導(dǎo)載流的秘密：為什么需要“缺陷”

要理解這項(xiàng)突破，首先需要明白超導(dǎo)體是如何工作的。超導(dǎo)體在低溫下能夠無電阻地傳輸電流，但這種能力是有限度的——超過某個(gè)電流值，超導(dǎo)性就會(huì)被破壞。這個(gè)極限值叫做臨界電流密度，它決定了超導(dǎo)材料的實(shí)用價(jià)值——假如某種超導(dǎo)材料只能承載很小的電流，那么它就無法被應(yīng)用到實(shí)際場(chǎng)景中。

此外，大多數(shù)大規(guī)模、高功率的超導(dǎo)應(yīng)用都涉及強(qiáng)磁場(chǎng)——無論是作為磁體產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，還是在外部磁場(chǎng)中傳輸電流。比如在核聚變反應(yīng)堆中，超導(dǎo)磁體需要產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)來約束高溫等離子體；在磁共振成像設(shè)備中，超導(dǎo)線圈要在自身產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)中穩(wěn)定工作；而在輸電線路中，載流導(dǎo)體周圍必然存在自身電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。這些應(yīng)用代表了超導(dǎo)技術(shù)的主要市場(chǎng)和發(fā)展方向。因此，超導(dǎo)材料在磁場(chǎng)中的表現(xiàn)直接決定了它的實(shí)用價(jià)值。

在實(shí)用的強(qiáng)磁場(chǎng)條件下，磁場(chǎng)會(huì)以“磁通渦旋”的形式進(jìn)入（第二類）超導(dǎo)體內(nèi)部。這些渦旋就像微小的龍卷風(fēng)，每個(gè)都攜帶著一份量子化的磁通量（2.07×10^-15韋伯）。當(dāng)電流通過超導(dǎo)體時(shí)，這些磁通渦旋會(huì)受到洛倫茲力的作用而移動(dòng)。如果渦旋能夠自由移動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生能量損耗，這相當(dāng)于出現(xiàn)了電阻，會(huì)破壞超導(dǎo)性。因此，阻止渦旋移動(dòng)——也就是“釘扎”它們——成為提高載流能力的關(guān)鍵。

位錯(cuò)，這種晶體中原子排列的線狀缺陷，恰好是理想的釘扎中心，它們能夠像釘子一樣把磁通渦旋固定在原地，確保超導(dǎo)體即使在強(qiáng)磁場(chǎng)下也能無損耗地傳輸大電流。想象一下，如果把晶體比作整齊排列的積木，位錯(cuò)就是其中一條錯(cuò)位的線，沿著這條線，積木的排列出現(xiàn)了擾動(dòng)。這種擾動(dòng)的尺度（約3納米）正好與超導(dǎo)體的特征長度相匹配，能夠有效地“抓住”磁通渦旋。更重要的是，位錯(cuò)是一維的線缺陷，可以沿著整條線與渦旋相互作用，提供的釘扎力遠(yuǎn)強(qiáng)于零維的點(diǎn)缺陷（例如晶體中的摻雜原子等）。

位錯(cuò)（圖中黑線）的透射電子顯微鏡照片

（維基百科）

矛盾的核心：脆性與位錯(cuò)不可兼得？

在金屬材料中，位錯(cuò)密度可以達(dá)到每平方毫米100億個(gè)以上，這些位錯(cuò)可以通過塑性變形輕易產(chǎn)生。但鐵基超導(dǎo)體的情況完全不同——傳統(tǒng)加工方法在鐵基超導(dǎo)中產(chǎn)生的位錯(cuò)密度僅為每平方毫米千萬個(gè)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

為什么鐵基超導(dǎo)如此抗拒位錯(cuò)的產(chǎn)生？原因在于其特殊的化學(xué)鍵合。不同于金屬中的自由電子海，鐵基超導(dǎo)中的原子通過方向性很強(qiáng)的離子鍵和共價(jià)鍵連接。這些鍵就像堅(jiān)硬但易斷的玻璃棒，可以承受一定壓力，但抵抗彎曲的能力很差。當(dāng)試圖讓晶格發(fā)生滑移（產(chǎn)生位錯(cuò)的必要條件）時(shí)，化學(xué)鍵會(huì)直接斷裂，導(dǎo)致材料破碎。

當(dāng)用傳統(tǒng)的拉伸、壓縮等方法處理這類材料時(shí)，結(jié)果很大可能是脆性斷裂——就像掰斷一塊薄脆餅干。于是，鐵基超導(dǎo)面臨的核心矛盾便是，一方面，提高載流能力迫切需要高密度的位錯(cuò)；另一方面，材料的本征脆性使得位錯(cuò)幾乎無法產(chǎn)生。

這個(gè)問題如此棘手，以至于許多研究者認(rèn)為在鐵基超導(dǎo)中引入高密度位錯(cuò)是不可能的任務(wù)。畢竟，這相當(dāng)于要在玻璃或者陶瓷中制造出金屬才有的微觀結(jié)構(gòu)。

非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)：化不可能為可能

馬衍偉團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新在于提出了“非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)”策略。這個(gè)方法的精髓是同時(shí)施加兩種精心設(shè)計(jì)的應(yīng)力：靜水壓力和剪切應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)協(xié)同調(diào)控。

靜水壓力就像深海中從四面八方均勻施加的水壓，它的作用是抑制裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。在高達(dá)230兆帕的靜水壓力下（相當(dāng)于2300個(gè)大氣壓），即使材料內(nèi)部產(chǎn)生了微小裂紋，也會(huì)被壓力“愈合”，無法擴(kuò)展成災(zāi)難性的斷裂。

但僅有靜水壓力還不夠，因?yàn)樗粫?huì)讓材料均勻收縮，不會(huì)產(chǎn)生晶格滑移。這時(shí)就需要剪切應(yīng)力登場(chǎng)了。剪切應(yīng)力是一種“錯(cuò)動(dòng)”的力，就像雙手搓麻繩時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)。在材料加工中，研究團(tuán)隊(duì)通過特殊設(shè)計(jì)的擠壓工藝，在擠壓出口處制造了巧妙的應(yīng)力不對(duì)稱：軸向約束突然釋放，而徑向約束通過模具保持，這種不平衡創(chuàng)造了強(qiáng)烈的剪切分量。

這兩種應(yīng)力的協(xié)同作用產(chǎn)生了神奇的效果：靜水壓力保證材料不會(huì)斷裂，而剪切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)晶格滑移。就像在保護(hù)傘下跳舞，材料可以安全地發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生大量位錯(cuò)。

原子尺度的精密工程

在這種特殊應(yīng)力場(chǎng)的作用下，鐵基超導(dǎo)材料內(nèi)部發(fā)生了驚人的變化。高分辨透射電鏡觀察顯示，鋇原子沿著(113)晶面發(fā)生了約1埃（0.1納米）的位移。雖然這個(gè)距離僅相當(dāng)于一個(gè)氫原子的直徑，但對(duì)于剛性晶格來說已經(jīng)是巨大的變形。

更重要的是，這種原子位移不是雜亂無章的，而是沿著特定的晶體學(xué)方向有序進(jìn)行。研究發(fā)現(xiàn)，(113)面是鐵基超導(dǎo)中鋇原子的密排面，在這個(gè)面上原子呈六方密堆積，相對(duì)容易發(fā)生滑移。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究人員重現(xiàn)了整個(gè)過程：當(dāng)應(yīng)變達(dá)到14%時(shí)，位錯(cuò)開始大量形核并相互纏結(jié)，密度達(dá)到每平方毫米10億個(gè)——這已經(jīng)接近金屬的水平，比傳統(tǒng)方法高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

值得注意的是，鐵基超導(dǎo)能夠承受高達(dá)15%的應(yīng)變而不完全破壞，這遠(yuǎn)超傳統(tǒng)陶瓷材料（通常僅1%）。這種意外的“韌性”可能與其層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)——層間的范德華力相對(duì)較弱，允許一定程度的層間滑動(dòng)，緩解了應(yīng)力集中。

熱處理的魔法：從無序到有序

成功引入位錯(cuò)只是第一步。剛擠壓完的材料中，位錯(cuò)雜亂纏結(jié)，反而會(huì)散射超導(dǎo)電子對(duì)，降低載流能力。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過精確的熱處理，可以讓這些位錯(cuò)“自組織”成有序結(jié)構(gòu)。

在880攝氏度（約為熔點(diǎn)的28%）退火時(shí)，位錯(cuò)表現(xiàn)出了令人驚訝的活性。原位透射電鏡觀察顯示，當(dāng)溫度超過300攝氏度時(shí)，位錯(cuò)開始集體遷移，速度約每分鐘5納米。它們像受到召喚一樣向晶界移動(dòng)，最終在那里排列成周期性陣列，間距約10納米。

這種熱激活的位錯(cuò)重排在非金屬材料中極為罕見。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，陶瓷等脆性材料的位錯(cuò)在中溫下幾乎不能移動(dòng)。但鐵基超導(dǎo)展現(xiàn)出了類金屬的恢復(fù)行為，這可能得益于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和相對(duì)較低的滑移勢(shì)壘。

通過調(diào)節(jié)退火時(shí)間，可以精確控制位錯(cuò)分布：20分鐘時(shí)大量位錯(cuò)留在晶內(nèi)，60分鐘達(dá)到最佳平衡，300分鐘后幾乎全部遷移到晶界。這種可控性為優(yōu)化釘扎結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大工具。

通過非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)工藝處理的BaK122的位錯(cuò)密度（ρD），與各種非金屬和金屬體系的比較。

（參考文獻(xiàn)1）

載流能力的巨大飛躍

經(jīng)過優(yōu)化處理的鐵基超導(dǎo)線材展現(xiàn)出了前所未有的載流性能。在4.2開爾文、10特斯拉磁場(chǎng)下，臨界電流密度達(dá)到4.5×10^5安培/平方厘米，是此前世界紀(jì)錄的3倍。更令人印象深刻的是，在30特斯拉的超強(qiáng)磁場(chǎng)下仍保持2.1×10^5安培/平方厘米，創(chuàng)造了鐵基超導(dǎo)線材的新紀(jì)錄。

這種卓越性能源于精心構(gòu)建的三維釘扎網(wǎng)絡(luò)。晶界處的位錯(cuò)陣列形成周期性勢(shì)壘，有效阻止了磁通渦旋沿晶界的移動(dòng)；晶內(nèi)的傾斜位錯(cuò)（與線材軸向成20-40度角）提供了額外的釘扎點(diǎn)；位錯(cuò)核心周圍的應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)了釘扎效果。這種多尺度、立體化的釘扎結(jié)構(gòu)徹底改變了磁通動(dòng)力學(xué)。

另一個(gè)突破是各向異性的大幅降低。傳統(tǒng)鐵基超導(dǎo)線材在不同磁場(chǎng)方向下性能差異很大，而新材料的各向異性因子始終小于2。這對(duì)實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要，因?yàn)槌瑢?dǎo)磁體中的磁場(chǎng)方向是不斷變化的。

通向未來的橋梁

這項(xiàng)突破的意義遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)室。在可控核聚變領(lǐng)域，更高的載流能力意味著更強(qiáng)的約束磁場(chǎng)和更緊湊的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。在醫(yī)療領(lǐng)域，它將支撐新一代超高場(chǎng)磁共振成像系統(tǒng)，提供前所未有的診斷精度。在基礎(chǔ)研究中，它為建造更強(qiáng)大的粒子加速器鋪平了道路。

更深遠(yuǎn)的影響在于，非對(duì)稱應(yīng)力場(chǎng)策略提供了一種全新的材料設(shè)計(jì)理念——通過巧妙的力學(xué)設(shè)計(jì)，可以在保持材料完整性的同時(shí)，在其內(nèi)部構(gòu)建原本不可能存在的微觀結(jié)構(gòu)。這種在矛盾中尋找平衡的思路，不僅適用于超導(dǎo)材料，也為其他脆性功能材料的改性開辟了新途徑。

參考文獻(xiàn)：

Han M, Dong C, Yao C, Zhang Z, Zhang Q, Gong Y, Huang H, Gong D, Wang D, Zhang X, Liu F, Sun Y, Zhu Z, Li J, Luo J, Awaji S, Wang X, Xie J, Hosono H, Ma Y. Asymmetric Stress Engineering of Dense Dislocations in Brittle Superconductors for Strong Vortex Pinning. Adv Mater. 2025 Nov;37(44):e13265. doi: 10.1002/adma.202513265. Epub 2025 Aug 22. PMID: 40843983.

出品：科普中國

作者：可可（材料學(xué)博士）

監(jiān)制：中國科普博覽