成蹊大学研究生院理工学研究科的三浦正志教授与东京工业大学的细野秀雄荣誉教授、平松秀典教授等合作，依据名为“载流子密度控制与磁通钉扎中心控制的融合”的新材料设计准则，成功制备出了铁基超导材料“SmFeAsO1-xHx薄膜”。这种薄膜在4.15开尔文极低温度、25特斯拉强磁场下，实现了铁基超导材料中的最高临界电流密度。此外，基于该材料设计准则，研究人员也使其他类型的超导材料达到了世界最高水平的临界电流密度，证实了准则的有效性。这项研究发表在期刊《Nature Materials》上。
图1 采用新材料设计准则后飞跃式增大的超导电流（临界电流）在SmFeAsO1-xHx薄膜内的流动情况（供图：成蹊大学）
使用临界电流密度（零电阻电流密度）作为评估标准的超导材料适用范围，实际由临界温度、不可逆磁场、临界电流密度三个参数决定。拓展适用范围，将会拓宽超导材料的用途。而目前特别需要解决的问题是，如何在磁场中飞跃式地提高多种超导材料的临界电流密度。
此前的研究表明，引入磁通钉扎中心（非超导相）来抑制量子化磁通（quantized magnetic flux）进入超导体内部的运动，对于提高临界电流密度是有效的。
另一方面，研究团队曾在对铜氧化物高温超导材料薄膜的研究中发现，临界电流密度的理论极限——拆对电流密度（depairing current density）的提高，对于临界电流密度的提高有很大影响。近年来的研究还表明，为了提高拆对电流密度，关键是要控制作为调谐参数的载流子密度、化学压力和应变等。
为此在本次研究中，研究团队将目标设定为通过调节SmFeAsO1-xHx薄膜中的氢注入量来控制载流子（电子）密度，并在此基础上依据引入了磁通钉扎中心的新的材料设计准则“载流子密度控制与磁通钉扎中心控制的融合”，飞跃式提高超导材料在磁场中的临界电流密度。
通过选择氢而非传统的氟作为注入元素，研究团队成功使注入铁基超导薄膜中的载流子（电子）密度达到原先的三倍以上，飞跃式提高了拆对电流密度和临界电流密度（无外部磁场）。研究人员进一步通过质子束照射成功将高密度的磁通钉扎中心引入薄膜，最终成功在铁基超导材料中实现了世界上最高的临界电流密度。
这种薄膜即便在液氦的沸点温度（4.15开尔文）和25特斯拉的强磁场条件下，也实现了铁基超导材料中最高的磁场临界电流密度。这一特性能够媲美超导材料中临界电流密度最高的铜氧化物高温超导材料YBa 2Cu 3O y薄膜。
此外，研究人员按照该设计准则对其他铁基超导薄膜和钇基超导薄膜进行调谐后发现，这些材料的拆对电流密度和磁场中临界电流密度也都有所提高。
此次的薄膜有望应用于强磁场环境下的超导材料，如大型强子对撞机、用于核聚变发电和分子结构分析的核磁共振（NMR）设备、核磁共振成像（MRI）研究设备以及磁悬浮列车等。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Materials
论文：Quadrupling the depairing current density in the iron-based superconductor SmFeAsO₁-xHx
DOI：10.1038/s41563-024-01952-7
