高溫超導體中人工釘扎中心的種類與結構

謝忠洲, 王 瑩, 李鐘昊, 李 貞

(上海電力大學 數理學院, 上海 200120)

高溫超導體在磁場下臨界電流密度的大小是其在實際應用中最重要的特性之一,定義了超導材料無損耗的載流能力。為提高超導體的臨界電流密度(JC),國內外研究人員做了大量的探索,通過很多方法引入不同類型的納米人工釘扎中心(Artificial Pinning Centers,APCs)使超導性能得到改善,如薄膜厚度的調制、在基底上用納米顆粒修飾、重離子輻照等[1-2]。APCs的分類方式有很多種,本文從幾何學的角度按照不同的維度進行分類,分為以下4種:零維釘扎中心、一維釘扎中心、二維釘扎中心、三維釘扎中心[3]。在實際的研究中往往不是采用單一的形式進行摻雜的,一般會同時使用其中2種或3種結合的方法[4-6],如采用脈沖激光法將Y2O3和BaZrO3引入YBCO薄膜中[7]。同時摻雜兩種雜質的薄膜會比只摻雜BaZrO3的超導性能要好,JC值更高。摻雜的材料也有功能性材料和非功能性材料之分,如磁性材料[8-10]和非磁性材料[11-13]。根據整體釘扎理論,任何近似等于渦流芯半徑的非超導區域,都可以作為釘扎中心。但是,由于磁性材料本身的特殊性,摻雜的磁性材料可以與渦旋中的磁通相互作用產生磁性釘扎力,能夠更加有效地阻止磁通渦旋的運動,使得摻雜磁性材料在提升超導性能方面具有更多的優勢[14]。本文對不同釘扎結構所產生的釘扎效果及其釘扎機制進行系統的總結與闡述。

1 磁通釘扎原理和結構

人工釘扎中心的原理和結構如圖1所示[15-17]。

圖1 人工釘扎中心的原理和結構