铁基超导体登上Nature Materials！

一、【科学背景】

超导体有极高的无耗散电流密度J_c，因此引起科研界广泛的兴趣。在超导体中，超导电流由电子对承载，如果电流超过去耦电流密度J_d，电子对就会分开，这就是J_c的最终极限。在基础研究和超导应用研究中，最大的挑战之一是确定达到这一最大值需要哪些结构和化学特性。临界电流可能会受到涡流运动所引发的耗散的严重限制。因此，大多数提高J_c的研究工作都集中在增加材料缺陷上，从而造成自由能的空间不均匀性，从而为涡旋定位提供优先位置，以降低其核心能量。铁基1111型超导体具有较高的临界温度和相对较高的临界电流密度J_c。然而，根据理论预测，通过引入缺陷来控制耗散涡流运动的方法经过优化后，最大J_c只能达到J_d的30%，而J_d取决于相干长度和穿透深度。

二、【创新成果】

基于此，日本成蹊大学Masashi Miura教授团队在Nature Materials发表了题为“Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO_1–xH_x”的论文，报道了通过一种创新的热力学方法，显著提高了SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c。具体地，通过高电子掺杂（使用H替代）来增加载流子密度，从而减少穿透深度、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，这与铜氧化物超导体相当。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。此外，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。

研究人员首先通过脉冲激光沉积在MgO基底上生长了50 nm厚的未掺杂SmFeAsO薄膜，然后通过与CaH₂粉末的拓扑化学反应进行氢掺杂，随后对部分样品进行了质子辐照以引入人工纳米缺陷。使用STEM和EDS分析了原始和辐照SmAsFeO_0.632H_0.368薄膜的微观结构，并测量了相关物理量。

图1  载流子密度调整后超导体相图的演化 © 2024 Springer Nature

图2  T_c和J_d的载流子密度依赖性 © 2024 Springer Nature

图3  在MgO上外延生长SmFeAsO_1–xH_x薄膜的微观结构 © 2024 Springer Nature

图4  物理量与电子掺杂的关系 © 2024 Springer Nature

图5  原始和辐照SmFeAsO_0.632H_0.368样品的场内超导性能 © 2024 Springer Nature

图6  调整各种超导参数后，S和J_c与J_d的相关关系 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

综上，研究人员采用了一种组合方法，通过调控载流子密度来控制λ和ξ从而调谐J_d，并通过辐照来增强磁通钉扎，大幅提高了SmFeAsO_1-xH_x薄膜中的J_c。制备的薄膜显示出铁基超导体中非常高的场内J_c值。就Y123而言，据报道在3 T磁场中的J_d值为15%，而在自磁场中的J_d值为32.4%，接近堆芯钉扎可实现的预测最大值。因此，本研究取得的415 MA 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。本研究的方法还降低了有效质量各向异性γ和Gi，从而减缓了涡旋蠕变。本研究证明了这种组合方法可以有效地改善不同系列超导体的性能，包括掺空穴的铜氧化物（Y123）和铁基超导体。

原文详情：Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO_1–xH_x (Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01952-7)

本文由大兵哥供稿。