Кембриджским исследователям удалось «уловить» магнитное поле силой 17,6 Тесла — примерно в 100 раз сильнее, чем поле, создаваемое типичным магнитом на холодильник — в высокотемпературном сверхпроводнике из гадолиния-бария-меди (GdBaCuO), опередив предыдущий. рекорд на 0,4 Тесла. Результаты опубликованы сегодня в журнале Superconductor Science and Technology.
Исследование демонстрирует потенциал высокотемпературных сверхпроводников для применения в различных областях, включая маховики для хранения энергии, «магнитные сепараторы», которые могут использоваться для очистки минералов и борьбы с загрязнением, а также в высокоскоростных парящих монорельсовых поездах.Сверхпроводники — это материалы, которые пропускают электрический ток с небольшим сопротивлением или без него при охлаждении ниже определенной температуры.
В то время как обычные сверхпроводники необходимо охлаждать до уровня, близкого к абсолютному нулю (ноль градусов по шкале Кельвина (или -273 ° C), прежде чем они станут сверхпроводниками, высокотемпературные сверхпроводники охлаждаются выше точки кипения жидкого азота (-196 ° C), что делает их относительно легко охлаждать и дешевле в эксплуатации.Сверхпроводники в настоящее время используются в научных и медицинских приложениях, таких как сканеры МРТ, и в будущем могут быть использованы для защиты национальной сети и повышения энергоэффективности благодаря количеству электрического тока, который они могут переносить без потери энергии.
Ток, переносимый сверхпроводником, также создает магнитное поле, и чем больше напряженности поля может содержаться в сверхпроводнике, тем больше тока он может переносить. Современные сверхпроводники могут пропускать токи, которые обычно в 100 раз превышают токи меди, что дает им значительные преимущества в производительности по сравнению с обычными проводниками и постоянными магнитами.Новый рекорд был достигнут с использованием образцов высокотемпературного сверхпроводника GdBCO диаметром 25 мм, изготовленных в виде большого цельного зерна с использованием установленного метода обработки расплава и упрочненных с использованием относительно простой технологии.
Предыдущий рекорд 17,2 Тесла, установленный в 2003 году группой под руководством профессора Масато Мураками из Технологического института Шибаура в Японии, использовал высокоспециализированный тип сверхпроводника схожего, но немного другого состава и структуры.«Тот факт, что этот рекорд стоит так долго, показывает, насколько востребована эта область на самом деле», — сказал профессор Дэвид Кардуэлл из инженерного факультета Кембриджа, который руководил исследованием в сотрудничестве с Boeing и Национальной лабораторией высокопольных магнитов во Флориде. Государственный университет. «Есть реальная потенциальная выгода даже при небольшом увеличении поля».Чтобы удержать такое большое поле, команда использовала материалы, известные как купраты: тонкие листы меди и кислорода, разделенные более сложными типами атомов.
Купраты были первыми открытыми высокотемпературными сверхпроводниками, которые могут найти широкое применение в научных и медицинских целях.Несмотря на то, что они являются высококачественными сверхпроводниками с выдающимся потенциалом для практического применения, купраты могут быть такими же хрупкими, как высушенные макаронные изделия, когда их изготавливают в виде спеченной керамики, поэтому попытка сдержать сильное магнитное поле в объемных формах купратов, как правило, заставляет их взорваться.Чтобы удерживать или удерживать магнитное поле, исследователям пришлось изменить как микроструктуру GdBCO, чтобы увеличить его токопроводящие и тепловые характеристики, так и усилить его кольцом из нержавеющей стали, которое использовалось для «термоусадочной упаковки». монозернистые образцы. «Это был важный шаг в достижении этого результата», — сказал доктор Джон Даррелл, руководивший экспериментом во Флориде.Линии магнитного потока в сверхпроводнике сильно отталкиваются друг от друга, что затрудняет сдерживание такого большого поля.
Но при проектировании объемной микроструктуры поле сохраняется в образце за счет так называемых «центров закрепления потока», распределенных по всему материалу. «Разработка эффективных площадок для закрепления в GdBCO была ключом к этому успеху», — сказал д-р Юн-Хуа Ши, который в течение последних 20 лет отвечал за разработку технологии изготовления из расплава в Кембридже.В результате получилось самое большое из когда-либо захваченных полей в массивном отдельном материале при любой температуре.
«Эта работа может предвещать появление сверхпроводников в реальных приложениях», — сказал профессор Кардуэлл. «Чтобы увидеть применение объемных сверхпроводников для повседневного использования, нам нужны большие зерна сверхпроводящего материала с необходимыми свойствами, которые можно производить с помощью относительно стандартных процессов».Группа из Кембриджа и ее сотрудники в настоящее время разрабатывают ряд нишевых приложений, и ожидается, что в ближайшие пять лет можно будет увидеть широкое коммерческое применение сверхпроводников.
«Этот рекорд был бы невозможен без поддержки наших академических и промышленных коллег и партнеров», — сказал профессор Кардвелл, который станет следующим главой инженерного факультета. «Это была настоящая командная работа, и мы надеемся, что эти материалы значительно приблизятся к практическому применению».«Boeing продолжает видеть практические применения этого исследования сверхпроводящих материалов, и мы воодушевлены возможностями, которые открываются благодаря недавним достижениям, достигнутым командой Кембриджа», — сказал Патрик Стоукс, который возглавляет портфель исследований, финансируемых Boeing, в Кембриджском университете.