铁基超导体自2008年被发现以来就展现出诱人的应用前景——它能在高达上百特斯拉的强磁场下保持超导性，各向异性小，制造成本相对较低，被认为是下一代核聚变反应堆、粒子加速器、高场磁共振成像系统的理想材料。然而，要让铁基超导体真正走向实用，必须大幅提高它的载流能力。

科学家们早就知道，在材料内部引入高密度的“位错”——一种线状的晶体缺陷，是提高载流能力的有效途径。但问题是，铁基超导体的晶体结构通常比较刚硬，化学键的强方向性使它像玻璃一样脆，传统的机械加工方法要么无法产生大量位错，要么可能直接导致材料破碎。这个矛盾困扰了科学界十多年。

最近，中国科学院电工研究所马衍伟研究员团队联合北京科技大学、中国科学院物理研究所、中国科学院合肥物质科学研究院、国家纳米科学中心等单位，通过创新的“非对称应力场”策略，成功在铁基超导体中引入了密度高达每平方毫米15亿个的位错，使载流能力提升了3倍，创造了新的世界纪录。

位错：晶体世界的“错位密码”

位错是材料科学中最重要也最难理解的概念之一。让我们从一个简单的比喻开始：想象一个整齐的方阵，就像阅兵式中的士兵队列。正常情况下，每个士兵都站在固定的位置上，横竖成行，整齐划一。现在假设其中一排士兵站错了位置——比如，本该站在第五排的士兵站到了第四排，这样在原来的第三排和第五排之间，就产生了一个“错位”。由于组成晶体的原子网络是三位结构，因此这个错位并非孤立存在，而是会像拉链一样沿着某个方向延伸，形成一条错位线。

在晶体材料中，原子就像这些士兵，按照特定的规律排列，而“位错”就是原子排列中的这种线状“错位”。具体来说，位错是晶体中一部分原子面发生了滑移，而另一部分保持原位，在滑移区和未滑移区的交界处就形成了位错线。

两种类型的位错（可以将其简单理解为错位的积木）

（维基百科）

位错的尺寸极其微小——它的核心宽度通常只有几个原子间距，大约2-5纳米（一根头发丝的两万分之一）。但位错线可以很长，延伸几百甚至几千纳米。这种一维的线状特征使位错具有独特的性质。

在金属中，位错就像润滑剂，让原子层可以相对滑动。当我们弯曲一根铁丝时，实际上是无数位错在晶体内部移动、增殖和重新排列。这就是为什么金属可以被锻造、轧制、挤压或者拉伸而不断裂——位错提供了塑性变形的微观机制。典型的金属在加工后，位错密度可达每平方毫米10亿个，而严重塑性变形金属中的位错密度可达到每平方毫米100亿个。

超导载流的秘密：为什么需要“缺陷”

要理解这项突破，首先需要明白超导体是如何工作的。超导体在低温下能够无电阻地传输电流，但这种能力是有限度的——超过某个电流值，超导性就会被破坏。这个极限值叫做临界电流密度，它决定了超导材料的实用价值——假如某种超导材料只能承载很小的电流，那么它就无法被应用到实际场景中。

此外，大多数大规模、高功率的超导应用都涉及强磁场——无论是作为磁体产生强磁场，还是在外部磁场中传输电流。比如在核聚变反应堆中，超导磁体需要产生强大的磁场来约束高温等离子体；在磁共振成像设备中，超导线圈要在自身产生的强磁场中稳定工作；而在输电线路中，载流导体周围必然存在自身电流产生的磁场。这些应用代表了超导技术的主要市场和发展方向。因此，超导材料在磁场中的表现直接决定了它的实用价值。

在实用的强磁场条件下，磁场会以“磁通涡旋”的形式进入（第二类）超导体内部。这些涡旋就像微小的龙卷风，每个都携带着一份量子化的磁通量（2.07×10^-15韦伯）。当电流通过超导体时，这些磁通涡旋会受到洛伦兹力的作用而移动。如果涡旋能够自由移动，就会产生能量损耗，这相当于出现了电阻，会破坏超导性。因此，阻止涡旋移动——也就是“钉扎”它们——成为提高载流能力的关键。

位错，这种晶体中原子排列的线状缺陷，恰好是理想的钉扎中心，它们能够像钉子一样把磁通涡旋固定在原地，确保超导体即使在强磁场下也能无损耗地传输大电流。想象一下，如果把晶体比作整齐排列的积木，位错就是其中一条错位的线，沿着这条线，积木的排列出现了扰动。这种扰动的尺度（约3纳米）正好与超导体的特征长度相匹配，能够有效地“抓住”磁通涡旋。更重要的是，位错是一维的线缺陷，可以沿着整条线与涡旋相互作用，提供的钉扎力远强于零维的点缺陷（例如晶体中的掺杂原子等）。

位错（图中黑线）的透射电子显微镜照片

（维基百科）

矛盾的核心：脆性与位错不可兼得？

在金属材料中，位错密度可以达到每平方毫米100亿个以上，这些位错可以通过塑性变形轻易产生。但铁基超导体的情况完全不同——传统加工方法在铁基超导中产生的位错密度仅为每平方毫米千万个量级，远远不够。

为什么铁基超导如此抗拒位错的产生？原因在于其特殊的化学键合。不同于金属中的自由电子海，铁基超导中的原子通过方向性很强的离子键和共价键连接。这些键就像坚硬但易断的玻璃棒，可以承受一定压力，但抵抗弯曲的能力很差。当试图让晶格发生滑移（产生位错的必要条件）时，化学键会直接断裂，导致材料破碎。

当用传统的拉伸、压缩等方法处理这类材料时，结果很大可能是脆性断裂——就像掰断一块薄脆饼干。于是，铁基超导面临的核心矛盾便是，一方面，提高载流能力迫切需要高密度的位错；另一方面，材料的本征脆性使得位错几乎无法产生。

这个问题如此棘手，以至于许多研究者认为在铁基超导中引入高密度位错是不可能的任务。毕竟，这相当于要在玻璃或者陶瓷中制造出金属才有的微观结构。

非对称应力场：化不可能为可能

马衍伟团队的创新在于提出了“非对称应力场”策略。这个方法的精髓是同时施加两种精心设计的应力：静水压力和剪切应力，实现协同调控。

静水压力就像深海中从四面八方均匀施加的水压，它的作用是抑制裂纹的产生和扩展。在高达230兆帕的静水压力下（相当于2300个大气压），即使材料内部产生了微小裂纹，也会被压力“愈合”，无法扩展成灾难性的断裂。

但仅有静水压力还不够，因为它只会让材料均匀收缩，不会产生晶格滑移。这时就需要剪切应力登场了。剪切应力是一种“错动”的力，就像双手搓麻绳时产生的扭转。在材料加工中，研究团队通过特殊设计的挤压工艺，在挤压出口处制造了巧妙的应力不对称：轴向约束突然释放，而径向约束通过模具保持，这种不平衡创造了强烈的剪切分量。

这两种应力的协同作用产生了神奇的效果：静水压力保证材料不会断裂，而剪切应力驱动晶格滑移。就像在保护伞下跳舞，材料可以安全地发生塑性变形，产生大量位错。

原子尺度的精密工程

在这种特殊应力场的作用下，铁基超导材料内部发生了惊人的变化。高分辨透射电镜观察显示，钡原子沿着(113)晶面发生了约1埃（0.1纳米）的位移。虽然这个距离仅相当于一个氢原子的直径，但对于刚性晶格来说已经是巨大的变形。

更重要的是，这种原子位移不是杂乱无章的，而是沿着特定的晶体学方向有序进行。研究发现，(113)面是铁基超导中钡原子的密排面，在这个面上原子呈六方密堆积，相对容易发生滑移。通过分子动力学模拟，研究人员重现了整个过程：当应变达到14%时，位错开始大量形核并相互缠结，密度达到每平方毫米10亿个——这已经接近金属的水平，比传统方法高出两个数量级。

值得注意的是，铁基超导能够承受高达15%的应变而不完全破坏，这远超传统陶瓷材料（通常仅1%）。这种意外的“韧性”可能与其层状结构有关——层间的范德华力相对较弱，允许一定程度的层间滑动，缓解了应力集中。

热处理的魔法：从无序到有序

成功引入位错只是第一步。刚挤压完的材料中，位错杂乱缠结，反而会散射超导电子对，降低载流能力。研究团队发现，通过精确的热处理，可以让这些位错“自组织”成有序结构。

在880摄氏度（约为熔点的28%）退火时，位错表现出了令人惊讶的活性。原位透射电镜观察显示，当温度超过300摄氏度时，位错开始集体迁移，速度约每分钟5纳米。它们像受到召唤一样向晶界移动，最终在那里排列成周期性阵列，间距约10纳米。

这种热激活的位错重排在非金属材料中极为罕见。传统观点认为，陶瓷等脆性材料的位错在中温下几乎不能移动。但铁基超导展现出了类金属的恢复行为，这可能得益于其独特的晶体结构和相对较低的滑移势垒。

通过调节退火时间，可以精确控制位错分布：20分钟时大量位错留在晶内，60分钟达到最佳平衡，300分钟后几乎全部迁移到晶界。这种可控性为优化钉扎结构提供了强大工具。

通过非对称应力场工艺处理的BaK122的位错密度（ρD），与各种非金属和金属体系的比较。

（参考文献1）

载流能力的巨大飞跃

经过优化处理的铁基超导线材展现出了前所未有的载流性能。在4.2开尔文、10特斯拉磁场下，临界电流密度达到4.5×10^5安培/平方厘米，是此前世界纪录的3倍。更令人印象深刻的是，在30特斯拉的超强磁场下仍保持2.1×10^5安培/平方厘米，创造了铁基超导线材的新纪录。

这种卓越性能源于精心构建的三维钉扎网络。晶界处的位错阵列形成周期性势垒，有效阻止了磁通涡旋沿晶界的移动；晶内的倾斜位错（与线材轴向成20-40度角）提供了额外的钉扎点；位错核心周围的应变场进一步增强了钉扎效果。这种多尺度、立体化的钉扎结构彻底改变了磁通动力学。

另一个突破是各向异性的大幅降低。传统铁基超导线材在不同磁场方向下性能差异很大，而新材料的各向异性因子始终小于2。这对实际应用至关重要，因为超导磁体中的磁场方向是不断变化的。

通向未来的桥梁

这项突破的意义远超实验室。在可控核聚变领域，更高的载流能力意味着更强的约束磁场和更紧凑的反应堆设计。在医疗领域，它将支撑新一代超高场磁共振成像系统，提供前所未有的诊断精度。在基础研究中，它为建造更强大的粒子加速器铺平了道路。

更深远的影响在于，非对称应力场策略提供了一种全新的材料设计理念——通过巧妙的力学设计，可以在保持材料完整性的同时，在其内部构建原本不可能存在的微观结构。这种在矛盾中寻找平衡的思路，不仅适用于超导材料，也为其他脆性功能材料的改性开辟了新途径。

参考文献：

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：科普中国

作者：可可（材料学博士）

监制：中国科普博览