Глава 341. Высокотемпературная сверхпроводимость 152 К •
Проводив Гао Хунмина, Сюй Чуань позвонил Пэн Хунси, кратко объяснил и организовал тестирование математической модели, а затем снова погрузился в работу в своём кабинете.
Несмотря на то, что медно-углеродно-серебряный композитный сверхпроводящий материал, созданный Институтом материалов Чуаньхай, был низкотемпературным сверхпроводником, он нашёл в нём проблеск надежды на понимание механизма высокотемпературной сверхпроводимости.
И по сравнению с поездкой в Гучэн для проверки математической модели турбулентности сверхвысокотемпературной и сверхвысоконапорной плазмы, значение этой теоретической работы, можно сказать, ещё больше.
По крайней мере, по его собственному мнению, её важность выше.
Можно сказать, что есть много людей, которые могут заменить его в проверке математической модели турбулентности плазмы, а вот заменить его в поиске механизма сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводящих материалов практически некому.
Даже если бы приехал его наставник Виттен, он не смог бы использовать математический язык для объяснения сверхпроводящей щели сверхпроводящих материалов.
Это уже не та проблема, которую можно решить одними лишь математическими способностями.
Какими бы сильными ни были математические способности, без знания основных характеристик материала, без знания различных свойств высокотемпературных сверхпроводящих материалов, без знания собственных и производных характеристик материала и других данных, сделать это невозможно.
В прошлой жизни он не смог найти механизм сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводящих материалов, с одной стороны, потому, что не уделял этому времени.
В то время он считал, что достаточно создать сверхпроводящий материал, а что касается механизма, то если не он, то кто-то другой займётся этим исследованием, это неважно.
С другой стороны, в прошлой жизни его математические способности были намного слабее, чем в этой.
В прошлой жизни он получил Филдсовскую премию за решение проблемы существования и массовой щели Янга-Миллса.
В области дифференциальных уравнений в частных производных, нелинейных уравнений, вычислительных функций его математические способности действительно были одними из лучших, но математика - это не только это.
Алгебра, теория чисел, геометрия, математический анализ, топология, функциональный анализ, теория вероятностей - в общей сложности в математике насчитывается более двадцати основных разделов.
И каждый основной раздел имеет множество подразделов, например, алгебра включает в себя линейную алгебру, теорию групп, теорию полей, группы Ли, алгебры Ли, алгебры Каца-Муди, теорию колец и т. д. - более десяти различных областей.
Не говоря уже о прошлой жизни, даже в этой жизни он не осмеливается сказать, что разбирается во всех областях математики.
В кабинете Сюй Чуань, приводя в порядок данные о сверхпроводящих материалах, привезённые из лаборатории Чуаньхай, продолжал совершенствовать механизм сверхпроводимости сверхпроводящих материалов.
Судя по текущим исследованиям, сверхпроводящее состояние является результатом образования куперовских пар электронов и их конденсации. А ключевым вопросом механизма сверхпроводимости является причина образования куперовских пар электронов.
Сверхпроводимость в медно-оксидных сверхпроводниках обычно обеспечивается плоскостью CuO2, а соседние слои носителей заряда регулируют физические свойства плоскости CuO2.
Но из-за сильной корреляции электронов физические свойства CuO2 не могут быть описаны существующей зонной теорией твёрдого тела.
Поэтому ему нужно создать новое математическое описание зонной теории твёрдого тела.
Сидя за столом, Сюй Чуань смотрел на данные на экране компьютера, его глаза сияли, он бормотал себе под нос:
"На рисунке 1а показана структура поверхности BiO, обнажённой после расщепления монокристаллического образца Bi2212, можно видеть, что вдоль одного направления появляется несоразмерная модулированная структура".
"А в высокотемпературных сверхпроводниках изначально непрерывная замкнутая ферми-поверхность, рассчитанная по зонной теории, не появляется, из-за эффекта сильной корреляции ферми-поверхность превращается в четыре ферми-дуги, на концах ферми-дуг имеется очень высокая плотность состояний".
"Поэтому между 8 концами имеется 7 векторов рассеяния, описываемых соответственно q1...q7. После измерения картины, образованной когерентным рассеянием квазичастиц, с помощью преобразования Фурье можно получить яркие пятна рассеяния этих 7 векторов".
"Это можно определить с помощью метода когерентного рассеяния квазичастиц с фазовой привязкой (phase-referenced quasi-particle interference, сокращённо pr-qpi). Таким образом, в q-пространстве можно обрисовать информацию о ферми-поверхности".
"Однако на самом деле эта физическая величина в любой точке q является комплексной переменной и имеет фазу, то есть r(q,e)=|r0(q,e)|exp[ij(q,e)]"
Сидя перед компьютером, Сюй Чуань анализировал данные медно-углеродно-серебряного композитного материала в своём сознании и совершенствовал теорию и идеи.
В отличие от математических доказательств, исследование физики материалов не требует длительных математических вычислений.
Математика в этом процессе играет лишь ключевую основополагающую роль, главное - как с помощью совершенной теории объяснить соответствующие явления.
Это на самом деле немного похоже на теоретическую физику, как Эйнштейн, который сначала предложил первоначальную форму общей теории относительности, а затем постепенно совершенствовал её.
А в процессе совершенствования теории относительности, с помощью уравнений гравитационного поля, принципа Маха, пространственно-временных диаграмм и других вещей, с использованием математических инструментов, постепенно подтверждал её.
Вероятно, это и есть общая черта всех естественных наук: в конечном итоге все исследования сводятся к математике.
Если теория не может быть логически самосогласованной или проверенной математически, то какой бы совершенной она ни была, она, вероятно, будет лишь мимолётным явлением.
"Возможно, я нашёл подходящий путь!"
Глядя на изображения и данные на компьютере, взгляд Сюй Чуаня становился всё более глубоким, как безбрежный океан, хранящий бесчисленные знания.
Быстро достав из ящика стопку новой бумаги, он взял ручку и начал выводить:
"rr(q,-e)=|r(q,-e)|cos[j(q,e)-j(q,-e)]"
"Физическая величина, рассчитанная по экспериментальным данным с учётом фазы, каждая пунктирная окружность обозначает положение и область интегрирования интенсивности 7 пятен рассеяния. Известно, что в случае d-волновой щели q1, q4, q5 соответствуют одинаковому знаку щели".
"Можно получить интенсивность qpi с учётом фазы rr(q,-e)=|r(q,-e)| cos[j(q,e)-j(q,-e)]. А (d), (e) и (f) показывают интеграл интенсивности rr(q,-e) внутри пунктирной окружности, q2, q3, q6, q7 соответствуют рассеянию с противоположным знаком щели".
"В этой модели, если рассматривать только квадратную кристаллическую решётку, образованную узлами меди, i, j - индексы узлов меди, то в теории обычно ci,σ рассматривается как оператор уничтожения электронов в общем смысле, тогда..."
Чёрная ручка оставляла на белой бумаге формата А4 один за другим символы.
По мере вычисления данных о щели и фазовой физической величине медно-углеродно-серебряного сверхпроводящего материала, взгляд Сюй Чуаня становился всё более спокойным.
Наконец, он остановил ручку и посмотрел на последнюю строку формул на бумаге.
【s→=c〃σc】
"Вот оно что, щель в сверхпроводнике имеет d-волновую симметрию, по крайней мере, в медно-углеродно-серебряном композитном сверхпроводящем материале она имеет волновую симметрию".
"Используя однозонную математику Хаббарда и проекционный оператор Гутцвиллера, можно вычислить щель, хотя этот метод не применим во всех случаях, но низкоэнергетическая эффективная теория в случае сильной связи в основном одинакова".
"Если использовать теорию, подобную модели t-J, и метод перенормированного среднего поля для обработки высокотемпературных сверхпроводящих материалов, то можно сначала использовать фактор перенормировки приближения Гутцвиллера, а на втором этапе использовать стандартный метод среднего поля для дальнейшей обработки".
"Таким образом, можно шаг за шагом вывести сверхпроводящую щель высокотемпературных сверхпроводящих материалов на основе экспериментальных данных".
"И этот метод может стать мощным средством для определения изменения знака функции щели в других нетрадиционных сверхпроводниках".
"Возможно, в ближайшем будущем высокотемпературная сверхпроводимость переживёт бурный рост".
Глядя на теорию и формулы на бумаге, Сюй Чуань облегчённо вздохнул.
Осталось найти больше данных о высокотемпературных сверхпроводящих материалах, чтобы проверить эту теорию. Встав и размяв затёкшие мышцы, Сюй Чуань снова сел за стол.
Приведя в порядок бумаги, он начал постепенно переносить написанное на бумаге в компьютер, чтобы оформить статью.
Конечно, эта статья пока не может быть опубликована.
Хотя исследование характеристик механизма сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводящих материалов является одной из самых горячих областей в современной области сверхпроводящих материалов, и публикация этой статьи может мгновенно взорвать этот пруд и сделать его ведущим специалистом в области сверхпроводящих материалов.
Но, соответственно, это также укажет другим путь к исследованию высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
Поэтому эту статью пока можно только держать при себе.
Но Сюй Чуань не слишком переживал по этому поводу.
Когда он создаст высокотемпературный сверхпроводящий материал, тогда и опубликует.
Закончив переносить статью с бумаги в компьютер, Сюй Чуань направился прямо в лабораторию материалов Чуаньхай.
Он уже предварительно разобрался с характеристиками механизма сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводящих материалов, и если он хочет использовать их, то лучше всего построить сильно коррелированную модель tj для вычислений.
Но построение модели и её тестирование, даже самой базовой и простой версии, займёт не менее полумесяца.
Он уже немного нетерпелив, он хочет пойти в лабораторию и поэкспериментировать, посмотреть, сможет ли он на основе своих вычисленных данных и теории провести дальнейшую оптимизацию сверхпроводящего материала.
Стремительно добравшись до Института материалов Чуаньхай, Сюй Чуань нашёл Фань Пэнъюэ и попросил его выделить ему лабораторию.
В институте изначально не было лишних лабораторий, ведь с момента расширения прошло менее двух месяцев, набранный персонал и закупленное оборудование не были укомплектованы полностью.
Кроме того, он ранее требовал проведения обширных исследований сверхпроводящих и углеродных материалов, и в настоящее время институт работал на полную мощность.
Однако Сун Вэньбо, ранее занимавшийся исследованием медно-углеродно-серебряного композитного материала, был назначен на анализ материалов, и его лаборатория временно освободилась, её как раз можно было использовать.
В лаборатории Сюй Чуань лично управлял вакуумным металлургическим оборудованием для изготовления медно-углеродно-серебряного композитного материала.
По сравнению с другими методами получения наноматериалов, такими как физическое измельчение, механическое измельчение в шаровой мельнице, осаждение из паровой фазы и т. д., использование вакуумного испарения, нагрева, высокочастотной индукции и других методов для газификации сырья или образования плазмы с последующим резким охлаждением позволяет получить сырьё с высокой чистотой, хорошей кристаллической структурой и контролируемым размером частиц.
Идеальная кристаллизация и одинаковый размер частиц материала - это очень важно при изготовлении материалов, особенно при исследовании материалов в лаборатории.
Конечно, есть и недостатки: этот метод получения наноматериалов предъявляет высокие требования к оборудованию и технологии изготовления.
Но то, что можно решить с помощью денег, Сюй Чуань не считал проблемой.
Рядом Фань Пэнъюэ и Сун Вэньбо помогали в лаборатории.
Конечно, им было любопытно, что он собирается исследовать или как он собирается изготавливать медно-углеродно-серебряный композитный наноматериал.
Ранее Сюй Чуань получил данные Сун Вэньбо о сверхнизкотемпературном медно-углеродно-серебряном композитном сверхпроводящем материале, и было очевидно, что он занялся их изучением.
Неужели за какие-то десять дней он смог найти в них какие-то открытия или вдохновение?
О более глубоких вещах они даже не осмеливались думать.
Они оба полагали, что Сюй Чуань, изучая данные о сверхнизкотемпературном медно-углеродно-серебряном композитном сверхпроводящем материале, нашёл какие-то зацепки для возможной оптимизации медно-углеродно-серебряного композитного материала.
Честно говоря, это уже было поразительно.
Ведь времени прошло так мало, а данные о материалах не так-то просто анализировать.
Что же касается того, чтобы на основе этих данных найти механизм сверхпроводимости, лежащий в основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов, то они об этом даже не думали.
Если бы механизм сверхпроводимости высокотемпературных сверхпроводящих материалов было так легко கண்டுபிடிக்க, то не было бы ситуации, когда уже появились высокотемпературные сверхпроводящие материалы на основе железа, меди, графена, а механизм до сих пор не найден.
В лаборатории Сюй Чуань, одетый в белый халат, защитную маску и защитные очки, сосредоточенно и осторожно управлял оборудованием для радиочастотного магнетронного распыления, нанося приготовленный наноматериал на подложку SrTiO3.
Этот шаг занимает около двух минут, чтобы наноматериал полностью покрыл подложку SrTiO3, образовав на ней тонкую плёнку.
Затем добавляется 2% (объёмных) многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) и углеродных нанотрубок с модифицированной поверхностью Cu в качестве армирующей фазы.
После ряда обработок, наконец, под защитой инертного газа проводится термическая обработка при температуре 860-900°C в течение 30-50 минут, чтобы на подложке SrTiO3 образовалась тонкая плёнка медно-углеродно-серебряного композита.
И эта плёнка - то, что нужно Сюй Чуаню!
Проведя в лаборатории целых два дня, только на следующий день, поздно ночью, напряжение Сюй Чуаня спало.
В его руках, в сосуде, лежал серебристо-серый тонкий лист, размером меньше детской ладони. Это был результат его двухдневной напряжённой работы.
Глубоко вздохнув, Сюй Чуань передал прозрачный сосуд Сун Вэньбо и сказал: "Профессор Сун, пожалуйста, проверьте механизм сверхпроводимости этого материала".
"Если мои расчёты верны, он должен достичь критической температуры Tc около 152 К".
Проработав целый день в полном напряжении, у него уже не было сил проводить тестирование, поэтому он мог только передать это другим.
Услышав это, Сун Вэньбо открыл рот, хотел что-то сказать, но в итоге кивнул и взял материал.
Тестирование сверхпроводящих материалов не является сложным, его можно провести с помощью низкотемпературного криостата, сосуда Дьюара с жидким азотом и другого оборудования.
Просто он никак не мог поверить в то, что этот человек сказал о критической температуре Tc в 152 К.
Что такое критическая температура Tc в 152 К?
В пересчёте на градусы Цельсия это примерно -121,15°C. Эта температура кажется низкой, но для современной области сверхпроводящих материалов она очень и очень высока.
Если не учитывать сверхпроводящие материалы, требующие высокого давления, то в настоящее время медно-оксидные высокотемпературные сверхпроводники могут достигать температуры сверхпроводимости 94,9 К, а при повышении давления - 125 К, что в пересчёте на градусы Цельсия составляет примерно -178,2°C и -148,15°C.
Разница в целых 30°C, не стоит недооценивать это, ведь критическая температура Tc медно-оксидных высокотемпературных сверхпроводников в 94,9 К не менялась уже около десяти лет.
Что касается сверхпроводимости на основе железа, то хотя её предел может достигать -23°C, но в настоящее время её можно получить только в лаборатории, затратив огромные усилия и в очень небольших количествах.
Мало того, что его мало, он ещё и очень легко загрязняется, простое воздействие воздуха приведёт к потере сверхпроводимости, поэтому он не имеет большой ценности для сравнения.
А если эта плёнка в его руках действительно сможет достичь сверхпроводимости при температуре 152 К, то индустрия высокотемпературной сверхпроводимости, вероятно, претерпит кардинальные изменения.
И самое главное, что его босс заранее рассчитал это число.
Он уже не осмеливался думать о том, что это значит.