铁基超导体，Nature Materials！一e测试

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铁基超导体，Nature Materials！

2024-07-29 17:38:31 0 56

研究背景

铁基1111型超导体因其较高的临界温度和相对较高的临界电流密度J_c，而备受关注。传统上，通过引入缺陷来控制耗散涡的运动是提高J_c的常用方法。然而，理论上这一方法在优化后，其提升效果通常被限制在约30%的最大J_c，这一限制与相干长度和穿透深度有关。

研究成果

近日，日本成蹊大学Masashi Miura（一作兼通讯）报道了通过一种创新的热力学方法（旨在增加J_d和引入涡流钉扎中心），显著提高了SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c。具体来说，通过使用H替代的高电子掺杂来增加载流子密度，从而减小穿透深度、相干长度和临界场各向异性。结果表明，通过这种方法，实现了四倍于常规值的J_c，达到了415MA·cm^-2，与铜酸盐相当。最后，通过使用质子辐照引入缺陷，在高达25T的场中获得了高J_c值。这一策略已被成功应用于其他铁基超导体，并实现了类似的电流密度增强。相关研究工作以“Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO_1-xH_x”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

研究内容

研究者提出了一种促进J_c的新策略。目标是通过增加J_d来提高上限，同时设计缺陷景观以接近这一更高的上限，这种方法称之为组合方法。J-H-T相图比较，如图1所示。图1a显示，原始薄膜的势能景观通常具有较小的空间变化，导致易于涡流运动，因此J_c/J_d比值较低。而在图1b中，展示了如何通过引入缺陷来加深涡流必须克服的势能井（U_act）。这里U_act取决于钉扎的类型：强钉扎，即大缺陷能够独立地固定涡流；或弱集体钉扎，即多个小缺陷协同作用固定涡流的一部分。这种策略可以提高J_c/J_d的比值，但通常在约30%处达到最大值，这是在保持临界温度T_c不降低的前提下，少数研究能够实现的值。最后，图1c、d展示了该组合方法。势能井不仅因缺陷而加深，还因本质上改变涡流结构而影响冷凝能量，而进一步加深。通过这种方法，即使在J_c/J_d比值保持不变的情况下，也可以实现更高的J_c值。

图1. 钉扎优化和调整载流子密度后超导体相图的演变

图2. T_c和J_d的载流子密度相关性

图3. MgO上外延生长的SmFeAsO_1-xH_x薄膜（x=0.368）的微观结构

图4. 作为电子掺杂函数的物理量（每Fe）

图5. 原始和辐照SmFeAsO_0.632H_0.368样品的场内超导特性

图6. 调整各种超导参数后，S和J_c与J_d的相关关系

结论与展望

总之，通过调控载流子密度来控制λ和ξ，并通过辐照技术增强通量钉扎，采用了一种调整J_d的组合方法，显著提升了SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c。这个薄膜在铁基超导体中显示出非常高的场J_c值，这绝不是SmFeAsO_1-xH_x中可实现的最大J_c，相信还有进一步提升的空间；在Y123超导体中，已在3T磁场下J_d约为15%，在自磁场中J_d达到32.4%，接近堆芯钉扎可实现的预测最大值。所实现的415MA·cm^-2的显著高J_d为SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c设定了新的上限。此外，研究还表明，这种方法可以降低有效质量的各向异性γ和Gi，有效减缓了涡流蠕变的速度。因此，研究者证明了这种组合方法可以有效地提高不同家族的超导体的性能，包括空穴掺杂的铜酸盐（Y123）和铁基超导体（电子掺杂的Ln1111型、Te掺杂的11型和化学加压的P掺杂的122型）。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01952-7

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