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Jc，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Jc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Jc，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Jd和引入涡流钉扎中心），显著提高了SmFeAsO1-xHx薄膜中的Jc。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Jc，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Jc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 SmFeAsO1-xHx”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Jc的新策略。目标是通过增加Jd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Jc/Jd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（Uact）。这里Uact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Jc/Jd的比值，但通常在约30%处达到最大值，这是在保持临界温度Tc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Jc/Jd比值保持不变的情况下，也可以实现更高的Jc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. Tc和Jd的载流子密度相关性

图3. MgO上外延生长的SmFeAsO1-xHx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SmFeAsO0.632H0.368样品的场内超导特性

图6. 调整各种超导参数后，S和Jc与Jd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Jd的组合方法，显著提升了SmFeAsO1-xHx薄膜中的Jc。这个薄膜在铁基超导体中显示出非常高的场Jc值，这绝不是SmFeAsO1-xHx中可实现的最大Jc，相信还有进一步提升的空间；在Y123超导体中，已在3T磁场下Jd约为15%，在自磁场中Jd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Jd为SmFeAsO1-xHx薄膜中的Jc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