Глава 340. Механизм высокотемпературной сверхпроводимости и эффект сильной корреляции •
В кабинете Сюй Чуань погрузился в размышления.
Фань Пэнъюэ и Сун Вэньбо, находившиеся рядом, не смели прерывать размышления своего босса, им оставалось только молча ждать.
Приведя в порядок свои мысли, Сюй Чуань поднял голову, его взгляд сиял, когда он смотрел на Сун Вэньбо, и сказал:
"Профессор Сун, в течение следующего периода времени вы и ваша команда временно приостановите исследования медно-углеродно-серебряного композитного материала и полностью сосредоточитесь на анализе разработанного вами ранее низкотемпературного сверхпроводящего медно-углеродно-серебряного композитного материала".
"Мне нужно больше информации и данных анализа этого материала!"
Услышав это, Сун Вэньбо сначала опешил, а затем быстро кивнул и ответил: "Переход от исследований к анализу - это не проблема, но для анализа материала оборудования нашего института может не хватить".
"Например, у нас ещё нет лизирующего хроматографа и индуктивно-связанного плазменного эмиссионного спектрометра для анализа структуры, без этого оборудования данные анализа будут неполными".
Сюй Чуань: "Это не проблема, начальник Фань обсудит с вами соответствующее оборудование, нужное купим, оборудование ведь покупается не на один раз".
Фань Пэнъюэ кивнул и сказал: "Институт был расширен совсем недавно, на данный момент действительно есть часть оборудования, которое ещё не закуплено, но это уже запланировано в плане закупок, просто раньше приоритет был ниже, но раз сейчас нужно, то можно закупить и раньше".
Сюй Чуань: "Если покупка нового оборудования займёт много времени, то можно попробовать купить подержанное в других лабораториях страны. Небольшая переплата не имеет значения, мне нужно получить данные как можно скорее".
В конференц-зале Сюй Чуань задал ещё несколько вопросов об экспериментальных данных этого низкотемпературного сверхпроводящего медно-углеродно-серебряного композитного материала, а затем покинул Институт материалов Чуаньхай с частью данных.
Вернувшись на виллу, он вставил флешку в компьютер, достал из ящика стола стопку бумаги для записей и, сидя за письменным столом, снова погрузился в размышления.
С тех пор как в 1911 году Х. Камерлинг-Оннес обнаружил сверхпроводимость у таких металлических элементов, как ртуть и олово, число металлических элементов, проявляющих сверхпроводимость при нормальном давлении, достигло нескольких десятков.
Что касается классификации сверхпроводящих материалов, то на данный момент нет единого стандарта.
Как правило, наиболее распространённая классификация основана на температуре.
Сверхпроводящие материалы, которые требуют охлаждения жидким гелием для достижения критической температуры Tc, называются низкотемпературными сверхпроводниками; те, которые требуют охлаждения жидким азотом, называются высокотемпературными сверхпроводниками; а те, которые могут достичь сверхпроводимости при комнатной температуре, называются комнатнотемпературными сверхпроводниками.
В настоящее время научное сообщество, помимо того, что может использовать теорию БКШ для объяснения низкотемпературной сверхпроводимости, не имеет полного и единого объяснения того, почему высокотемпературная и комнатнотемпературная сверхпроводимость также могут быть достигнуты.
В материаловедении сначала случайно получить материал, а затем проанализировать его, чтобы найти механизм, - это вполне нормально.
В прошлой жизни, когда он разработал медно-углеродно-серебряный композитный материал, он также пытался исследовать и объяснить механизм высокотемпературных и комнатнотемпературных сверхпроводящих материалов.
Но в итоге он не получил точного ответа, а затем, из-за исследований управляемого ядерного синтеза и уравнений Навье-Стокса, у него не было времени, и он отказался от исследований в этой области.
Конечно, то, что он не исследовал в прошлой жизни, не означает, что никто не исследовал механизм высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
В прошлой жизни основная точка зрения заключалась в том, что сверхпроводящее спаривание в медно-оксидных высокотемпературных сверхпроводниках не происходит из-за традиционной электрон-фононной связи БКШ, а происходит из-за эффекта сильной корреляции между электронами.
Изучая физику в старшей школе, мы легко узнаём, что вокруг ядра каждого атома находится разное количество электронов.
Например, у атома кислорода вокруг ядра находятся восемь положительно заряженных протонов, а у атома углерода - шесть электронов.
В нормальных условиях электроны в твёрдых телах, состоящих из этих атомов, очень стабильны, каждый электрон рассматривается как независимый и не влияет на другие.
Подобно восьми планетам Солнечной системы, каждая планета имеет свою собственную независимую орбиту и не сталкивается с другими.
Однако во многих веществах, таких как оксиды переходных металлов, оксиды лантаноидов и т. д., перекрытие между внешними электронными орбиталями атомов очень велико, электроны на орбиталях сближаются, и увеличение электростатической энергии нельзя игнорировать.
В результате в этих материалах возникает эффект сильной корреляции.
А эффект сильной корреляции между электронами является причиной возникновения многих новых физических явлений.
Таких как дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, гигантское магнитосопротивление в марганцево-оксидных материалах, системы тяжёлых фермионов, фазовый переход металл-изолятор в двумерных материалах с высокой подвижностью и т. д.
Поэтому в будущем для объяснения механизма сверхпроводимости высокотемпературных и комнатнотемпературных сверхпроводников в основном используется эффект сильной корреляции электронов.
Вот только это объяснение является лишь теорией, его нельзя объяснить с помощью модели или математики.
А сегодня Сюй Чуань считает, что, возможно, он сможет попробовать.
Просматривая на компьютере экспериментальные данные по низкотемпературному медно-углеродно-серебряному композитному материалу, исследованному Сун Вэньбо, Сюй Чуань внимательно читал, готовясь после ознакомления приступить к выводу механизма высокотемпературной сверхпроводимости.
В этот момент зазвонил мобильный телефон на столе, он взял трубку, звонил Гао Хунмин.
"Академик Сюй, заявка в Суперкомпьютерный центр Гучэна одобрена, время назначено на пять дней спустя, через пять дней суперкомпьютер Тяньхэ-1 Суперкомпьютерного центра Гучэна выделит необходимые вам вычислительные мощности для моделирования и запуска вашей математической модели".
Гао Хунмин сообщил о решении по заявке.
Сюй Чуань кивнул и сказал: "Я знаю, я приеду вовремя".
Повесив трубку, он посмотрел на данные на компьютере и взял ручку рядом с бумагой для записей.
"Пять дней, должно быть, удастся найти какое-то направление?"
- тихо пробормотал Сюй Чуань, не стал больше думать и начал вычисления на бумаге.
"Слоистая структура, показанная на рисунке 1, её низкоэнергетическая физика в основном определяется плоскостью CuO2. На плоскости CuO2 атомы меди образуют квадратную кристаллическую решётку, а между двумя ближайшими атомами меди находится атом кислорода. С точки зрения электронной структуры, задействованные электронные орбитали - это в основном 3d-орбитали меди и 2p-орбитали кислорода".
"H=μd,σ∑iσdi,σdiσ+μp,σ∑iσpi,σp,σ-∑.pi↑pi↓."
"Рассмотрим однозонную модель Хаббарда для 3dx2-y2-орбитали меди, дырки, легированные на 2p-орбитали кислорода, образуют связанное состояние спинового синглета с дырками на 3dx2-y2-орбитали меди, то есть знаменитый синглет Чжана-Райса". "Для него строится низкоэнергетическая эффективная модель, модель t-J, гамильтониан вычисляется как:
Ht-j=-∑,σtijpg(ci,σcj,σ+h.c.)pg+j∑si·sj"
В кабинете Сюй Чуань, просматривая данные на компьютере, проверял структуру сильной электронной корреляции в медно-углеродно-серебряном композитном материале.
Использовать математику для вычисления физики - это прорыв, которого он достиг в этой жизни, углублённо изучая математику, а также одно из его самых сильных исследований на данный момент.
Погрузившись в это, он одновременно вычислял данные и интегрировал свои мысли.
Это путь к объяснению механизма высокотемпературной сверхпроводимости, по которому раньше кто-то шёл, но проложил лишь короткий участок, а теперь он продвигается вперёд.
Идя по этому первобытному пути, мощные математические способности в этой жизни - это его мачете, прорубающее заросли; а исследования в области физики в прошлой жизни больше похожи на компас, указывающий направление и гарантирующий, что он не свернёт на неверный путь.
Идеальное сочетание математики и физики, в прошлый раз оно продвинуло вычисления информации о частицах в области физики высоких энергий, а в этот раз - углубилось в материаловедение, чтобы исследовать тайны атомов и электронов.
Постепенно Сюй Чуань видел только ручку и бумагу на столе, в этот момент он словно шёл в темноте, перед ним была кромешная тьма, и только вдалеке мерцал свет маяка, указывающий ему направление.
Дни шли один за другим, за окном в разгар зимы аномально шёл сильный дождь, небо было покрыто тёмными тучами, окутывающими землю.
Неизвестно, сколько времени прошло, дождь наконец прекратился, солнце двигалось, пытаясь пробить своими лучами тучи и снова осветить мир.
В кабинете Сюй Чуань, который неизвестно когда перестал писать и стоял у окна, глядя вдаль, задумчиво смотрел на лучи света, пробивающиеся сквозь тучи после дождя и падающие на землю.
Глядя на медленно садящееся за горизонт солнце, Сюй Чуань улыбнулся.
Когда возникает эффект Тиндаля, свет обретает форму.
Эти лучи света, пробивающиеся сквозь тучи после дождя, указывают направление движения цивилизации.
Хотя он и не нашёл механизм сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводников, но уже нашёл осуществимый путь.
Осталось только продолжать идти по этому пути.
Если удастся завершить создание механизма высокотемпературной сверхпроводимости, то в будущем он, возможно, сможет с помощью математических вычислений получить сверхпроводящее состояние высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
В то время сверхпроводящие материалы перестанут быть препятствием, сдерживающим развитие технологий.
Возможно, он даже сможет продолжить исследования и найти новые, более совершенные комнатнотемпературные сверхпроводящие материалы, которые можно будет широко использовать в различных отраслях промышленности.
Ведь разработанный им в прошлой жизни медно-углеродно-серебряный композитный материал по своим свойствам был близок к керамическим материалам, хотя и мог достигать сверхпроводимости при комнатной температуре и нормальном давлении, но его было трудно обрабатывать, и он был подвержен помехам.
Такой ограниченный комнатнотемпературный сверхпроводящий материал подходит для использования в передовом научном оборудовании, таком как установки управляемого ядерного синтеза и коллайдеры, но его широкое использование в производстве электроэнергии, передаче электроэнергии, хранении энергии, слаботочных системах и т. д. по-прежнему затруднено.
Особенно это касается оборудования, работающего в относительно суровых условиях.
Если удастся найти комнатнотемпературный сверхпроводник, похожий на металлические материалы, такие как медь и железо, то нынешнее развитие технологий совершит настоящий скачок.
Подумав, Сюй Чуань вернулся к столу, взял мобильный телефон и позвонил Гао Хунмину.
Менее чем через полчаса Гао Хунмин быстро прибыл из промышленного парка управляемого ядерного синтеза.
"Академик Сюй, вы меня вызывали".
Сюй Чуань кивнул, взял подготовленный жёсткий диск и передал его: "Здесь находится математическая модель, построенная для турбулентности плазмы в камере реактора управляемого ядерного синтеза".
"Изначально я собирался лично поехать в Гучэн для проверки, но сейчас ситуация немного изменилась, у меня есть другие дела, поэтому я не поеду. Пожалуйста, съездите вы с этим жёстким диском".
Услышав это, Гао Хунмин быстро сказал: "Съездить - не проблема, но если вы не поедете, то я ничего не понимаю в математических моделях и тестировании".
"Если вы действительно не можете освободиться, может, я сообщу наверх? Отложить на некоторое время? Это не проблема".
Сюй Чуань подумал и сказал: "Отсрочка - не решение. Давайте я позвоню академику Пэн Хунси и попрошу двух руководителей отдела моделирования, которые ранее оптимизировали модель, поехать с вами".
"Они оптимизировали эту модель и являются специалистами в области моделирования, они смогут заменить меня".
"Если возникнут какие-то проблемы, вы можете мне позвонить".
Гао Хунмин подумал и сказал: "Хорошо, но если вы не поедете, мне будет немного не по себе. Ведь это так важно".
Сюй Чуань улыбнулся и сказал: "Если всё пройдёт гладко, то я всё равно не смогу сделать ничего особенного, просто привезите мне данные после проверки модели".
Гао Хунмин кивнул и сказал: "Хорошо, раз так, то я пойду к академику Пэну".
Сюй Чуань: "Спасибо за ваши труды, счастливого пути".
Гао Хунмин осторожно положил жёсткий диск в принесённый с собой противоударный кейс и сказал: "Я всего лишь выполнял вспомогательную работу, а вот вы, академик Сюй, действительно трудились".
"Раз у вас есть дела, я не буду вас больше беспокоить".
"Кроме того, я сообщу людям из армии, чтобы они организовали сопровождение и вместе со мной доставили эту модель в Гучэн в целости и сохранности".
"Не волнуйтесь, пока я жив, модель будет в порядке!"