Глава 1246. Импульсный разрыв и вычислительная материаловедение •
“Опять провал.”
В лаборатории, стоя у ближнего оптического микроскопа и глядя на данные теста, Хсу Чуань вздохнул и бросил экспериментальный образец из устройства с импульсным возбуждением электронным пучком в мусорное ведро.
Нельзя сказать, что создание безупречного фотонного временного кристалла — это простое дело.
Даже если теоретические проблемы он уже решил, используя сильные связи электронных структур в рамках теории конденсата состояний и комбинируя ее с теорией отражения времени и многомодовой лазерной стимуляции, то на практике все оказалось сложнее.
В теории, с помощью точного управления двумя лучами света разного цвета, например, красным лазером и синим, можно управлять поляризацией, пространственным рисунком и относительной фазой, чтобы их электрические векторы в процессе развития во времени формировали сложные переплетенные топологические узоры, которые периодически повторялись. Это позволит построить нормальный временной кристалл фотонов.
В этом методе есть преимущество: его топологические свойства регулируются, что позволяет реализовать кодирование информации высокого порядка и новые взаимодействия света с веществом.
Но у него есть и очевидные недостатки. Во-первых, реализация высокоскоростного временного модулирования — это очень сложная задача.
В частности, в оптическом диапазоне требуется скорость модуляции в пикосекунды или даже фемтосекунды, что ставит огромные требования к источнику питания и самому модулятору.
Во-вторых, самоорганизация временного кристалла и его индуцирование внешним полем также представляют собой чрезвычайно сложную задачу. Как только один из промежутков выходит из строя, то практически вся структура материала будет испорчена.
Ведь для изготовления этого фотонного временного кристалла используется база из специально изготовленных ультрачистых сапфировых пластин.
Стоимость одной такой пластины размером с ногтем на мизинце может достигать десятков тысяч долларов, не говоря уже о различных высокотехнологичных устройствах, используемых в процессе эксперимента.
Без преувеличения можно сказать, что каждый эксперимент по изготовлению, независимо от его результата, обходится примерно в несколько миллионов долларов.
За последний месяц Хсу Чуань провел более пятнадцати экспериментов, потратив на них около 40 миллионов юаней.
Кроме него, в лаборатории кристаллов также есть другие исследователи, которые проводят подобные эксперименты. За месяц они потратили более 500 миллионов юаней.
Такой огромный вклад, и все это только на разработку и производство одного типа фотонного временного кристалла, вероятно, может позволить себе только Институт морских исследований.
Например, Ningde Times инвестировал в лабораторию по исследованию литий-воздушных аккумуляторов в 2027 году более 10 миллиардов юаней, что в среднем составляет около 850 миллионов юаней в месяц, что кажется больше, чем затраты на исследования фотонных временных кристаллов.
Но на самом деле эти 10,2 миллиарда были распределены по многим различным проектам.
Например, изучение механизмов реакции на границе между электродами и катодом литий-воздушных аккумуляторов, разработка материалов без углерода для самоподдерживающихся электродов (например, монокристаллических мезопористых NiO-нанопластин, TiO@FeO), оптимизация характеристик электродов.
Или же разработка литий-воздушных аккумуляторов на основе твердотельных композитных электролитов для реализации механизма четырехэлектронного взаимодействия при комнатной температуре и т. д.
В лаборатории по исследованию литий-воздушных аккумуляторов насчитывается более ста проектов, связанных с их изучением.
В среднем ежегодное финансирование каждого проекта составляет около 100 миллионов юаней, а в месяц — около 8,5 миллионов юаней, что меньше 10 миллионов юаней.
Это значительно меньше, чем 500 миллионов юаней, которые тратятся на эксперименты по изготовлению фотонных временных кристаллов за один месяц.
Сняв перчатки для проведения эксперимента, Хсу Чуань подошел к другой стороне лаборатории и обратился к руководителю лаборатории кристаллов, профессору Тун Шэнфу, которого он пригласил из университета Цзншань несколько лет назад:
“Профессор Тун, как у вас дела?”
В настоящее время в лаборатории кристаллов исследования и производство фотонных временных кристаллов ведутся по двум направлениям. Одно из них возглавляет Хсу Чуань — это схема с использованием высокочистых сапфировых пластин в качестве базы для создания топологических узоров двойного светового поля на поверхности, а динамическое управление ими.
Другое направление возглавляет профессор Тун Шэнфу и его команда, которая использует микро- и нанообработку с помощью электронного луча и ионной эрозии для создания массивов наноантенн над поверхностью.
Сейчас Хсу Чуань достиг своего предела в этом направлении. Несмотря на то, что динамическое управление действительно позволяет контролировать фотонный временной промежуток, его точность все еще далека от требуемой.
В лаборатории профессор Тун Шэнфу, который с furrowed brows рассматривал данные эксперимента на экране компьютера, покачал головой и ответил:
—“Ситуация не очень оптимистична, ни электронная микролитография, ни ионная эрозия не обладают достаточной точностью.”
—“Я просмотрел данные эксперимента по двум направлениям за последнюю неделю. Точность в направлении обработки над поверхностью все еще уступает вашему динамическому управлению. В настоящее время можно изготовить фотонный временной кристалл размером всего несколько нанометров, что очень далеко от требуемого.”
Тут профессор Тун Шэнфу повернулся к Хсу Чуану и с нахмуренным лицом сказал: “Если мы хотим повысить точность в направлении микролитографии, может быть, стоит попробовать линию фотолитографии?”
“Хотя точность фотолитографии уступает электронной записи, ее стабильность и управляемость лучше, а также она более подходит для массового производства.”
Хсу Чуань слегка покачал головой: “Фотолитография может достичь наноразмерного ультратонкого процесса, но это не одно и то же, что обработка зазоров в пространстве-времени.
Кроме того, если использовать фотолитографию для обработки структуры фотонного временного кристалла, вам нужно будет разработать сверхчистые химические реагенты, фотомаски и растворители. Сложность не будет ниже, чем у существующих методов ионной эрозии.”
Тут Хсу Чуань задумался на мгновение, а затем продолжил: “Но это может быть вариантом для изучения. Я попрошу людей из Шанхая доставить несколько фотолитографов с разрешением 14 нанометров.”
“Тогда вы можете попробовать этот путь.”
Профессор Тун Шэнфу кивнул: “Хорошо, а что с вами?”
Хсу Чуань подумал и сказал: “Я планирую вернуться к расчету материалов. Посмотрим, есть ли какие-то другие подсказки.”
“У меня предчувствие, что существующие методы обработки фотонных кристаллов и схемы не подойдут для глубокого расширения структуры фотонного временного кристалла.”
“Время отражения требует периодических изменений в структуре, чтобы они проявляли себя циклически во времени, а не в пространстве.”
“Самое главное, что эти периодические изменения самопроизвольные, то есть они могут продолжаться без внешнего источника энергии.”
“Это совершенно отличается от эффекта зоны в фотонных кристаллах, которые возникают из-за структуры запрещенной зоны фотонов.”
Услышав это, профессор Тун Шэнфу тоже вздохнул и сказал: “Ничего не поделаешь, нам остается двигаться вперед по существующим путям.”
Тут он сделал паузу, посмотрел на Хсу Чуаня и с ностальгией сказал: “Но идея интегрировать теорию временного отражения, которая обладает свойством нарушения симметрии пространственного перемещения, в структуру на атомном уровне — это, наверное, беспрецедентная вещь.”
“Если это удастся, то это откроет совершенно новую дорогу в разработке материалов!”
Хсу Чуань улыбнулся и сказал: “На самом деле это просто манипулирование существующими измерениями материала. Мы живем в трехмерном мире, поэтому материалы имеют три измерения — длину, ширину и высоту. А сейчас мы просто пытаемся управлять ими, а я пытаюсь добавить время как четвертое измерение.”
“Проще говоря, расширяем понятие трехмерного кристалла на четырехмерное пространство-время, чтобы материал также периодически располагался во времени. Ничего сложного в этом нет.”
Тун Шэнфу покачал головой и сказал: “Но до вас никто не думал об этом! Вы — это настоящий прорыв!”
Хсу Чуань улыбнулся и сказал: “Ладно, оставьте исследования и эксперименты вам. Я пойду.”
Профессор Тун Шэнфу с улыбкой сказал: “Надеюсь, вы откроете новую дорогу в разработке материалов!”
Хсу Чуань махнул рукой и вышел из лаборатории.
Возвратившись в свой дом на склоне горы Цишань, Хсу Чуань несет на себе надежды всего исследовательского коллектива по фотонным временным кристаллам.
В своей библиотеке он открыл теоретический файл о структуре фотонного временного кристалла и погрузился в размышления, рассматривая данные симуляции, предоставленные центром супервычислений безграничного квантового мира.
Как диэлектрический материал с большой скоростью изменения показателя преломления, он теоретически должен создавать два типа распространения волн: временное отражение и временное преломление в процессе рефракции.
Периодическая модуляция показателя преломления приводит к интерференции этих временных отражений и преломлений, создавая зоны и запрещенные зоны в импульсе.
Чтобы контролировать распространение волн времени отражения и преломления в среде, единственным доступным вариантом является промежуток моментов.
Но создание такого промежутка на наноуровне — задача не из легких.
По крайней мере, она сложнее, чем он думал.
Хсу Чуань долго смотрел на данные симуляции на экране компьютера и на модели материалов, загруженные из базы данных супервычислительного центра под его ногами. Его брови все так же были сдвинуты в знак недовольства.
Через некоторое время он тихо вздохнул и прошептал: “Если динамическое управление поверхностью и технология обработки поверхности не подойдут, то лучшим вариантом останется химический метод.”
“Редукционный метод, электролизный метод, карбонильный метод, осаждение из раствора, газофазное осаждение, термический разложение. Какой выбрать?”
Размышляя, Хсу Чуань первым же черкнул через три метода: редукционный метод, карбонильный метод и термическое разложение.
Это просто, эти три метода не подходят для материала фотонного временного кристалла, который требует создания промежутка моментов в структуре на основе субстрата.
“Осаждение из раствора, газофазное осаждение.”
Поразмыслив, он остановил свой выбор на этих двух методах.
Осаждение из раствора — это процесс химического превращения целевого вещества из раствора в твердое состояние. К распространенным способам относятся нейтрализация кислотами и щелочами, осаждение солей и т. д.
Например, осаждение кристаллов соли из насыщенного раствора хлорида натрия (поваренной соли) — это один из примеров этого метода.
Но осажденные продукты чаще всего представляют собой аморфные твердые тела с широким распределением размеров частиц и низкой чистотой, которая сильно зависит от условий реакции. Трудно построить структуру промежутка моментов на таких осадках.
“Тогда остается только газофазное осаждение.”
На самом деле, в отличие от осаждения из раствора, газофазное осаждение чаще всего используется для изготовления высокотехнологичных материалов, таких как полупроводниковые чипы, оптические покрытия и сверхтонкие поверхности.
Его продукция может быть столь же точной, как обработка лазером или фотолитография.
Но высокоточное газофазное осаждение обычно выполняется методом CVD (химическое газофазное осаждение), который требует температуры выше 800 °C. Такая высокая температура может привести к росту зерен в основе, снижению механических свойств или деформации.
Вот почему Хсу Чуань изначально не рассматривал возможность использования метода газофазного осаждения для изготовления фотонного временного кристалла.
Потому что даже малейшая деформация или дефект может привести к разрушению структуры промежутка моментов внутри материала, что нарушит нормальный процесс времени отражения.
Но сейчас, похоже, не остается другого выхода, кроме как попробовать.
Размышляя, Хсу Чуань открыл новую страницу в блокноте и, сверяясь с моделями материалов, загруженными из базы данных супервычислительного центра, начал обрабатывать данные, необходимые для изготовления материала.
То, что называется вычислением материаловедения, — это точное расчетное определение структуры, типа и других характеристик материала. Это не просто фантазия, которую можно придумать на бумаге.
Даже Хсу Чуань не сможет просто черкнуть карандашом, чтобы определить, какой материал нужно использовать для создания специальной структуры промежутка моментов в процессе изготовления фотонного временного кристалла.
Правильное применение вычислений материаловедения заключается в проведении эксперимента, а затем использовании мощных вычислительных ресурсов компьютера для анализа конкретных данных эксперимента.
С помощью этого подхода можно изучить движение молекул на разных масштабах — нанометрическом, микронном и мезометрическом — и таким образом рассчитать макроскопические свойства объекта исследования.
К счастью, за прошедший месяц исследований по изготовлению фотонного временного кристалла Хсу Чуань собрал достаточное количество данных о материалах, чтобы использовать их в качестве основы для расчетов.
Сосредоточив внимание на странице блокнота перед собой, Хсу Чуань одновременно обрабатывал экспериментальные данные с помощью суперкомпьютера и преобразовывал их в формат, совместимый с вычислениями материаловедения. Затем он загружал эти данные в свой собственный мини-квантовый суперкомпьютер, расположенный под его домом.
Стоит отметить, что при строительстве безграничного квантового мира он также построил небольшой квантовый суперкомпьютер рядом со своим домом.
Конечно, более точно говоря, это была новая установка, работающая параллельно с существующим суперкомпьютером в Балинге.
Благодаря этому Хсу Чуань не нуждался в отправке своих задач на обработку в Балинг.
Под воздействием квантового суперкомпьютера моделирование и расчеты материала шли гладко и быстро.
Хотя он уже давно не занимался материаловедением, его модель химических материалов была результатом его собственных исследований.