用于强磁场磁体的超导体潜在重大改进

聚变反应堆受其用于约束等离子体的可用磁场的限制。商业聚变行业使用铜氧化物超导体 $\mathbf{YBa_{2}Cu_{3}O_{7-\delta}}$（YBCO）更大的磁场和更高工作温度，以将其等离子体约束在致密体积内。超导体是一种宏观量子态，由能隙保护而免于进入金属（电阻）态。遗憾的是，YBCO 具有各向异性能隙，称为 D 波，因其形状为 $\mathbf{d_{x^2-y^2}}$ 化学轨道。这种 D 波能隙意味着无法制造多晶线材，因为线材中晶粒间几度的错位会导致其超流承载能力的急剧损失，从而限制其磁场。超导体行业通过在精心制备的衬底带上生长近单晶超导 YBCO 薄膜（长度达数公里）来应对。艰巨的开发计划已使此类带材 commercially 可用，但它们非常昂贵且脆弱。MRI 磁体超导体，如 $\mathbf{NbTi}$ 和 $\mathbf{Nb_{3}Sn}$，被制成多晶线材，因为它们具有 s 化学轨道形状的各向同性能隙（称为 S 波），使其对晶粒错位不敏感。然而，这些材料局限于较低磁场和液氦温度。在此，我们通过用 Ca 和 Ce 原子掺杂 Y 位来改性 YBCO，形成 $\mathbf{(Y_{1-x-y}Ca_{x}Ce_{y})Ba_{2}Cu_{3}O_{7-\delta}}$，并给出证据表明其转变为 S 波能隙。其超导转变温度 $\mathbf{T_c}$ 为 $\mathbf{\sim 70K}$，虽低于 D 波 YBCO 的 $\mathbf{\sim 90K}$，但使用常见、经济的低温设备即可轻松维持。