鐵基超導體自2008年被發現以來就展現出誘人的應用前景——它能在高達上百特斯拉的強磁場下保持超導性，各向異性小，製造成本相對較低，被認爲是下一代核聚變反應堆、粒子加速器、高場磁共振成像系統的理想材料。然而，要讓鐵基超導體真正走向實用，必須大幅提高它的載流能力。

科學家們早就知道，在材料內部引入高密度的“位錯”——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，鐵基超導體的晶體結構通常比較剛硬，化學鍵的強方向性使它像玻璃一樣脆，傳統的機械加工方法要麼無法產生大量位錯，要麼可能直接導致材料破碎。這個矛盾困擾了科學界十多年。

最近，中國科學院電工研究所馬衍偉研究員團隊聯合北京科技大學、中國科學院物理研究所、中國科學院合肥物質科學研究院、國家納米科學中心等單位，通過創新的“非對稱應力場”策略，成功在鐵基超導體中引入了密度高達每平方毫米15億個的位錯，使載流能力提升了3倍，創造了新的世界紀錄。

位錯：晶體世界的“錯位密碼”

位錯是材料科學中最重要也最難理解的概念之一。讓我們從一個簡單的比喻開始：想象一個整齊的方陣，就像閱兵式中的士兵隊列。正常情況下，每個士兵都站在固定的位置上，橫豎成行，整齊劃一。現在假設其中一排士兵站錯了位置——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，就產生了一個“錯位”。由於組成晶體的原子網絡是三位結構，因此這個錯位並非孤立存在，而是會像拉鍊一樣沿着某個方向延伸，形成一條錯位線。

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

兩種類型的位錯（可以將其簡單理解爲錯位的積木）

（圖片來源：維基百科）

位錯的尺寸極其微小——它的核心寬度通常只有幾個原子間距，大約2-5納米（一根頭髮絲的兩萬分之一）。但位錯線可以很長，延伸幾百甚至幾千納米。這種一維的線狀特徵使位錯具有獨特的性質。

在金屬中，位錯就像潤滑劑，讓原子層可以相對滑動。當我們彎曲一根鐵絲時，實際上是無數位錯在晶體內部移動、增殖和重新排列。這就是爲什麼金屬可以被鍛造、軋製、擠壓或者拉伸而不斷裂——位錯提供了塑性變形的微觀機制。典型的金屬在加工後，位錯密度可達每平方毫米10億個，而嚴重塑性變形金屬中的位錯密度可達到每平方毫米100億個。

超導載流的祕密：爲什麼需要“缺陷”

要理解這項突破，首先需要明白超導體是如何工作的。超導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——超過某個電流值，超導性就會被破壞。這個極限值叫做臨界電流密度，它決定了超導材料的實用價值——假如某種超導材料只能承載很小的電流，那麼它就無法被應用到實際場景中。

此外，大多數大規模、高功率的超導應用都涉及強磁場——無論是作爲磁體產生強磁場，還是在外部磁場中傳輸電流。比如在覈聚變反應堆中，超導磁體需要產生強大的磁場來約束高溫等離子體；在磁共振成像設備中，超導線圈要在自身產生的強磁場中穩定工作；而在輸電線路中，載流導體周圍必然存在自身電流產生的磁場。這些應用代表了超導技術的主要市場和發展方向。因此，超導材料在磁場中的表現直接決定了它的實用價值。

在實用的強磁場條件下，磁場會以“磁通渦旋”的形式進入（第二類）超導體內部。這些渦旋就像微小的龍捲風，每個都攜帶着一份量子化的磁通量（2.07×10^-15韋伯）。當電流通過超導體時，這些磁通渦旋會受到洛倫茲力的作用而移動。如果渦旋能夠自由移動，就會產生能量損耗，這相當於出現了電阻，會破壞超導性。因此，阻止渦旋移動——也就是“釘扎”它們——成爲提高載流能力的關鍵。

位錯，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，確保超導體即使在強磁場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，位錯就是其中一條錯位的線，沿着這條線，積木的排列出現了擾動。這種擾動的尺度（約3納米）正好與超導體的特徵長度相匹配，能夠有效地“抓住”磁通渦旋。更重要的是，位錯是一維的線缺陷，可以沿着整條線與渦旋相互作用，提供的釘扎力遠強於零維的點缺陷（例如晶體中的摻雜原子等）。

位錯（圖中黑線）的透射電子顯微鏡照片

（圖片來源：維基百科）

矛盾的核心：脆性與位錯不可兼得？

在金屬材料中，位錯密度可以達到每平方毫米100億個以上，這些位錯可以通過塑性變形輕易產生。但鐵基超導體的情況完全不同——傳統加工方法在鐵基超導中產生的位錯密度僅爲每平方毫米千萬個量級，遠遠不夠。

爲什麼鐵基超導如此抗拒位錯的產生？原因在於其特殊的化學鍵合。不同於金屬中的自由電子海，鐵基超導中的原子通過方向性很強的離子鍵和共價鍵連接。這些鍵就像堅硬但易斷的玻璃棒，可以承受一定壓力，但抵抗彎曲的能力很差。當試圖讓晶格發生滑移（產生位錯的必要條件）時，化學鍵會直接斷裂，導致材料破碎。

當用傳統的拉伸、壓縮等方法處理這類材料時，結果很大可能是脆性斷裂——就像掰斷一塊薄脆餅乾。於是，鐵基超導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；另一方面，材料的本徵脆性使得位錯幾乎無法產生。

這個問題如此棘手，以至於許多研究者認爲在鐵基超導中引入高密度位錯是不可能的任務。畢竟，這相當於要在玻璃或者陶瓷中製造出金屬纔有的微觀結構。

非對稱應力場：化不可能爲可能

馬衍偉團隊的創新在於提出了“非對稱應力場”策略。這個方法的精髓是同時施加兩種精心設計的應力：靜水壓力和剪切應力，實現協同調控。

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生和擴展。在高達230兆帕的靜水壓力下（相當於2300個大氣壓），即使材料內部產生了微小裂紋，也會被壓力“癒合”，無法擴展成災難性的斷裂。

但僅有靜水壓力還不夠，因爲它只會讓材料均勻收縮，不會產生晶格滑移。這時就需要剪切應力登場了。剪切應力是一種“錯動”的力，就像雙手搓麻繩時產生的扭轉。在材料加工中，研究團隊通過特殊設計的擠壓工藝，在擠壓出口處製造了巧妙的應力不對稱：軸向約束突然釋放，而徑向約束通過模具保持，這種不平衡創造了強烈的剪切分量。

這兩種應力的協同作用產生了神奇的效果：靜水壓力保證材料不會斷裂，而剪切應力驅動晶格滑移。就像在保護傘下跳舞，材料可以安全地發生塑性變形，產生大量位錯。

原子尺度的精密工程

在這種特殊應力場的作用下，鐵基超導材料內部發生了驚人的變化。高分辨透射電鏡觀察顯示，鋇原子沿着(113)晶面發生了約1埃（0.1納米）的位移。雖然這個距離僅相當於一個氫原子的直徑，但對於剛性晶格來說已經是巨大的變形。

更重要的是，這種原子位移不是雜亂無章的，而是沿着特定的晶體學方向有序進行。研究發現，(113)面是鐵基超導中鋇原子的密排面，在這個面上原子呈六方密堆積，相對容易發生滑移。通過分子動力學模擬，研究人員重現了整個過程：當應變達到14%時，位錯開始大量形核並相互纏結，密度達到每平方毫米10億個——這已經接近金屬的水平，比傳統方法高出兩個數量級。

值得注意的是，鐵基超導能夠承受高達15%的應變而不完全破壞，這遠超傳統陶瓷材料（通常僅1%）。這種意外的“韌性”可能與其層狀結構有關——層間的範德華力相對較弱，允許一定程度的層間滑動，緩解了應力集中。

熱處理的魔法：從無序到有序

成功引入位錯只是第一步。剛擠壓完的材料中，位錯雜亂纏結，反而會散射超導電子對，降低載流能力。研究團隊發現，通過精確的熱處理，可以讓這些位錯“自組織”成有序結構。

在880攝氏度（約爲熔點的28%）退火時，位錯表現出了令人驚訝的活性。原位透射電鏡觀察顯示，當溫度超過300攝氏度時，位錯開始集體遷移，速度約每分鐘5納米。它們像受到召喚一樣向晶界移動，最終在那裏排列成周期性陣列，間距約10納米。

這種熱激活的位錯重排在非金屬材料中極爲罕見。傳統觀點認爲，陶瓷等脆性材料的位錯在中溫下幾乎不能移動。但鐵基超導展現出了類金屬的恢復行爲，這可能得益於其獨特的晶體結構和相對較低的滑移勢壘。

通過調節退火時間，可以精確控制位錯分佈：20分鐘時大量位錯留在晶內，60分鐘達到最佳平衡，300分鐘後幾乎全部遷移到晶界。這種可控性爲優化釘紮結構提供了強大工具。

通過非對稱應力場工藝處理的BaK122的位錯密度（ρD），與各種非金屬和金屬體系的比較。

（圖片來源：參考文獻1）

載流能力的巨大飛躍

經過優化處理的鐵基超導線材展現出了前所未有的載流性能。在4.2開爾文、10特斯拉磁場下，臨界電流密度達到4.5×10^5安培/平方釐米，是此前世界紀錄的3倍。更令人印象深刻的是，在30特斯拉的超強磁場下仍保持2.1×10^5安培/平方釐米，創造了鐵基超導線材的新紀錄。

這種卓越性能源於精心構建的三維釘扎網絡。晶界處的位錯陣列形成周期性勢壘，有效阻止了磁通渦旋沿晶界的移動；晶內的傾斜位錯（與線材軸向成20-40度角）提供了額外的釘扎點；位錯核心周圍的應變場進一步增強了釘扎效果。這種多尺度、立體化的釘紮結構徹底改變了磁通動力學。

另一個突破是各向異性的大幅降低。傳統鐵基超導線材在不同磁場方向下性能差異很大，而新材料的各向異性因子始終小於2。這對實際應用至關重要，因爲超導磁體中的磁場方向是不斷變化的。

通向未來的橋樑

這項突破的意義遠超實驗室。在可控核聚變領域，更高的載流能力意味着更強的約束磁場和更緊湊的反應堆設計。在醫療領域，它將支撐新一代超高場磁共振成像系統，提供前所未有的診斷精度。在基礎研究中，它爲建造更強大的粒子加速器鋪平了道路。

更深遠的影響在於，非對稱應力場策略提供了一種全新的材料設計理念——通過巧妙的力學設計，可以在保持材料完整性的同時，在其內部構建原本不可能存在的微觀結構。這種在矛盾中尋找平衡的思路，不僅適用於超導材料，也爲其他脆性功能材料的改性開闢了新途徑。

參考文獻：

【1】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（材料學博士）

監製：中國科普博覽