學(xué)霸的科幻世界 第三百七十八章 招攬

物理學(xué)家們?yōu)榱岁U明超導(dǎo)體的機(jī)理，提出了多種理論，包括1935年提出的，用于描述超導(dǎo)電流與弱磁場(chǎng)關(guān)系的London方程，1950到1953年提出的，用于完善London方程的Pippard理論，1950年提出的，用于描述超導(dǎo)電流與強(qiáng)磁場(chǎng)（接近臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度）關(guān)系的GL理論；1957年提出的，從微觀機(jī)制上解釋第一類超導(dǎo)體的BCS理論……一直到現(xiàn)在，科學(xué)家開(kāi)始提出通過(guò)量子相變實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的新機(jī)制：即量子自旋霍爾絕緣體的拓?fù)淙毕菽坌纬沙瑢?dǎo)體。

這里面，比較重要的就是GL理論和BCS理論。

GL理論是在朗道二級(jí)相變理論的基礎(chǔ)上提出的唯象理論。

理論的提出者是京茨堡和朗道。

GL理論的提出是基于以下考慮：當(dāng)外界磁場(chǎng)強(qiáng)度接近超導(dǎo)體的臨近磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，超導(dǎo)體的電流不服從線性規(guī)律，且超導(dǎo)體的零點(diǎn)振動(dòng)能不可忽略。

GL理論的最大貢獻(xiàn)在于預(yù)見(jiàn)了第二類超導(dǎo)體的存在。

從GL理論出發(fā)，可以引出表面能κ的概念。

當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ＞1/√2時(shí)，為第一類超導(dǎo)體；當(dāng)超導(dǎo)體的表面能κ＜1/√2時(shí)，為第二類超導(dǎo)體。

BCS理論則是以近自由電子模型為基礎(chǔ)，以弱電子－聲子相互作用為前提建立的理論。

理論的提出者是巴丁（ardeen）、庫(kù)珀（.Cooper）、施里弗（.Schrieffer）。

BCS理論認(rèn)為，金屬中自旋和動(dòng)量相反的電子可以配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，庫(kù)珀對(duì)在晶格當(dāng)中可以無(wú)損耗的運(yùn)動(dòng)，形成超導(dǎo)電流。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，我們可以把電子比喻成一只只有一個(gè)翅膀的小蜜蜂，這樣的小蜜蜂是飛不起來(lái)的，但兩只這樣的小蜜蜂結(jié)合在一起，翅膀一左一右煽動(dòng)，就可以飛起來(lái)了。

對(duì)于庫(kù)珀對(duì)產(chǎn)生的原因，BCS理論做出了如下解釋：電子在晶格中移動(dòng)時(shí)會(huì)吸引鄰近格點(diǎn)上的正電荷，導(dǎo)致格點(diǎn)的局部畸變，形成一個(gè)局域的高正電荷區(qū)。這個(gè)局域的高正電荷區(qū)會(huì)吸引自旋相反的電子，和原來(lái)的電子以一定的結(jié)合能相結(jié)合配對(duì)。在很低的溫度下，這個(gè)結(jié)合能可能高于晶格原子振動(dòng)的能量，這樣，電子對(duì)將不會(huì)和晶格發(fā)生能量交換，沒(méi)有電阻，形成超導(dǎo)電流。

BCS理論很好地從微觀上解釋了第一類超導(dǎo)體存在的原因，理論的提出者巴丁、庫(kù)珀、施里弗因此獲得1972年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但BCS理論無(wú)法解釋第二類超導(dǎo)體存在的原因，尤其是根據(jù)BCS理論得出的麥克米蘭極限溫度（超導(dǎo)體的臨界轉(zhuǎn)變溫度不能高于40K），早已被第二類超導(dǎo)體突破。

直到現(xiàn)在，物理學(xué)界也沒(méi)有形成一個(gè)獲得普遍認(rèn)可的超導(dǎo)形成機(jī)制。

至于在高溫超導(dǎo)體的探索上，學(xué)術(shù)界倒是取得了不少進(jìn)展。

1986年，繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)一種成分為鋇、鑭、銅、氧的陶瓷性金屬氧化物L(fēng)aBaCuO4具有高溫超導(dǎo)性，臨界溫度可達(dá)35K（﹣240.15℃）。

由于陶瓷性金屬氧化物通常是絕緣物質(zhì)，因此這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義很大，繆勒和柏諾茲因此而榮獲了1987年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此后，高溫超導(dǎo)的研究迅速發(fā)展。

在中美等國(guó)科學(xué)家的推動(dòng)下，該記錄在五年內(nèi)不斷刷新。

并于1994年創(chuàng)下了常壓135K，高壓164K的臨界溫度新紀(jì)錄。

然而，銅氧化物高溫超導(dǎo)材料屬于氧化物陶瓷，缺乏柔韌性和延展性，容易在承載大電流時(shí)失去超導(dǎo)電性而迅速發(fā)熱，應(yīng)用起來(lái)存在許多技術(shù)難度。

而且，其物理性質(zhì)及其復(fù)雜，難以被現(xiàn)有理論框架解釋。

到了2008年，日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鐵砷化物體系中存在26K的超導(dǎo)電性，在中國(guó)科學(xué)家的努力下，這類超導(dǎo)材料的臨界溫度很快突破了40K，甚至在塊體材料中實(shí)現(xiàn)了55K的超導(dǎo)電性。

于是新一代超導(dǎo)家族鐵基超導(dǎo)宣告發(fā)現(xiàn)。

只是這類超導(dǎo)體大多含砷或者堿金屬，對(duì)空氣敏感，應(yīng)用方面同樣存在很多的局限性。

至于室溫超導(dǎo)體是否存在，目前學(xué)術(shù)界普遍是認(rèn)為存在的，日本科學(xué)家甚至將尋找到400K以上的超導(dǎo)體作為其遠(yuǎn)景目標(biāo)。

但要百分之百確認(rèn)一個(gè)室溫超導(dǎo)體的存在，卻不是一件容易的事。

畢竟要判斷一個(gè)新材料是否是超導(dǎo)體，必須同時(shí)具備零電阻效應(yīng)和完全抗磁性兩大特征，電阻不降到零或者抗磁性很差都不能百分之百斷定是超導(dǎo)。

歷史上，有多個(gè)“超導(dǎo)體”因?yàn)闆](méi)有確切證據(jù)，而被科學(xué)家戲稱為可疑超導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱USO，和傳說(shuō)中的UFO有的一拼。

在這些USO中，有的宣稱達(dá)到了200K甚至400K都有超導(dǎo)電性，卻從來(lái)沒(méi)有被更多的實(shí)驗(yàn)證明過(guò)。

甚至有些人為了謀取個(gè)人利益，干脆進(jìn)行學(xué)術(shù)造假。

比如一位叫做簡(jiǎn)·亨德里克·肖恩的德國(guó)人，曾經(jīng)在2001年瘋狂灌水，聲稱在C60等材料中發(fā)現(xiàn)了52K以上的高溫超導(dǎo)電性以及其他一系列電子器件應(yīng)用，其論文產(chǎn)出效率達(dá)到了每八天一篇的速度。

最終，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他的論文幾乎全部都進(jìn)行了數(shù)據(jù)造假。

Science系列雜志2002年撤稿七篇，Nature系列雜志2003年撤稿八篇，其他學(xué)術(shù)期刊也紛紛撤稿數(shù)十篇。

后來(lái)他的母校看不下去了，撤銷了他的博士學(xué)位，這樁丑聞轟動(dòng)了整個(gè)學(xué)術(shù)界，肖恩也被稱為物理學(xué)界五十年一遇的大騙子。

雖然如此，學(xué)術(shù)界對(duì)于室溫超導(dǎo)體的熱度始終不減。

特別是近年來(lái)，幾乎每個(gè)月都有新的超導(dǎo)體被發(fā)現(xiàn)。

其中比較重要的有2015年，德國(guó)科學(xué)家.Drozdov發(fā)現(xiàn)了硫化氫在200萬(wàn)個(gè)大氣壓下具備203K的超導(dǎo)電性，但如此苛刻的條件，也就只能在實(shí)驗(yàn)室里才能完成。

到了2019年，.Drozdov團(tuán)隊(duì)又證實(shí)了壓強(qiáng)為100萬(wàn)個(gè)地球大氣壓強(qiáng)時(shí)，各種富含氫的鑭系金屬氫化物在250K也就是零下二十度左右變成超導(dǎo)體。

可以說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室層面，距離真正意義上的室溫超導(dǎo)體只一步之遙了。

另外一個(gè)比較重要的發(fā)現(xiàn)，則與中國(guó)人有關(guān)。

2018年，麻省理工JarilloHerrero團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雙層石墨烯在扭轉(zhuǎn)角度1.1度，溫度1.7K時(shí)，出現(xiàn)了超導(dǎo)現(xiàn)象。

這篇論文的第一作者是麻省理工博士生，一位1996年出生，來(lái)自中國(guó)的天才少年曹源，當(dāng)年他憑借這一發(fā)現(xiàn)，榮登《自然》2018年度影響世界的十大科學(xué)人物榜首。

雙層石墨烯超導(dǎo)的臨界溫度很低，只有1.7K，基本不具備實(shí)用價(jià)值。

這一發(fā)現(xiàn)之所以重要，因?yàn)樗尸F(xiàn)了一種全新的物理現(xiàn)象，和其他超導(dǎo)材料完全不同，這對(duì)超導(dǎo)原理的解釋以及尋找高溫超導(dǎo)材料意義重大。

花了將近一周的時(shí)間，龐學(xué)林梳理完現(xiàn)實(shí)世界關(guān)于超導(dǎo)體的研究現(xiàn)狀，得出的結(jié)論就是：電磁相互作用的對(duì)稱破缺必然導(dǎo)致電子集群運(yùn)動(dòng)的變化，從而觸發(fā)超導(dǎo)現(xiàn)象。

這是超導(dǎo)在實(shí)用領(lǐng)域的一個(gè)定義，也是學(xué)術(shù)界關(guān)于超導(dǎo)體的唯一一個(gè)共識(shí)。

至于理論方面的解釋，那就八仙過(guò)海各顯神通了。

梳理當(dāng)前超導(dǎo)體材料的研究現(xiàn)狀，只是龐學(xué)林的第一步，接下來(lái)，龐學(xué)林還要把自己從鄉(xiāng)村教師世界、黑暗森林世界以帶回的相關(guān)技術(shù)論文全部研究一遍。

鄉(xiāng)村教師世界，龐學(xué)林獲得了源自碳基生命聯(lián)盟的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)；黑暗森林世界，他獲得的則是電磁軌道推進(jìn)技術(shù)以及空天飛機(jī)技術(shù)全套資料。

此前龐學(xué)林一直沒(méi)時(shí)間進(jìn)行仔細(xì)研究，因此，他需要閉關(guān)一段時(shí)間，將這些技術(shù)全部進(jìn)行消化吸收后，才能真正開(kāi)始部署電磁軌道推進(jìn)技術(shù)以及空天飛機(jī)技術(shù)的研發(fā)工作。

而且，龐學(xué)林有百分之八十的把握，從這些資料中獲得室溫超導(dǎo)體的相關(guān)線索。

這天上午，龐學(xué)林剛抵達(dá)辦公室，就對(duì)左亦秋道：“小左，幫我看一下今后一周的行程安排。”

“龐教授，10月12日，也就是明天上午您要出席金龍集團(tuán)首座金龍電池工廠的落成儀式，后天江大龐學(xué)林?jǐn)?shù)學(xué)中心正式揭牌，您也得參加，10月15日到20日，是錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室以及江城高等研究院集中面試時(shí)間，到時(shí)候會(huì)有超過(guò)一百位從全球各地趕過(guò)來(lái)的學(xué)者與您會(huì)面……”

龐學(xué)林沉吟片刻，抬頭道：“諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮是什么時(shí)候？”

“12月10日。”

龐學(xué)林道：“幫我把從10月21日到12月8日這段時(shí)間空出來(lái)，這段時(shí)間我要閉關(guān)，不要讓任何人打擾到我。”

“閉關(guān)？”

左亦秋微微一愣，有些不解。

龐學(xué)林道：“我搞研究的時(shí)候不希望有人打攪。”

“哦。”

左亦秋臉上露出恍然之色，隨即，左亦秋又道：“對(duì)了，龐教授，上周您讓我聯(lián)系的那位曹源博士，他下午抵達(dá)江城和您見(jiàn)面。”

“曹源下午到？”

龐學(xué)林臉上露出驚喜之色。

他找曹源，自然是為了超導(dǎo)方面的研究。

如果說(shuō)這個(gè)世界上真有天才的話，那么曹源無(wú)疑是其中之一。

甚至從某種程度上說(shuō)，比起經(jīng)過(guò)基因優(yōu)化劑改造之前的龐學(xué)林，曹源是真正意義上的天才。

曹源是西川省人，從小就展現(xiàn)了過(guò)人的學(xué)習(xí)天賦。

因?yàn)樘熨x異凜，十一歲被深城的一所實(shí)驗(yàn)中學(xué)看中。

在實(shí)驗(yàn)中學(xué)中，他僅用三年時(shí)間就讀完了小學(xué)和中學(xué)全部的課程。

三年之后，十四歲的曹源以668的成績(jī)考進(jìn)了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班。

本科階段，曹源依舊成績(jī)優(yōu)異，獲得了中科大的郭沫若獎(jiǎng)學(xué)金。

十八歲那年，曹源本科畢業(yè)，獲得了麻省理工的offer。

進(jìn)入麻省理工后，曹源雖然與自己想要進(jìn)的物理系失之交臂，卻意外進(jìn)入了麻省理工電氣工程系，跟隨導(dǎo)師Herrero讀博，然后在HERRERO手下對(duì)雙層石墨烯的相關(guān)特性展開(kāi)研究。

二十二歲，曹源以第一作者的身份在《自然》雜志發(fā)表兩篇關(guān)于石墨烯超導(dǎo)的文章，引發(fā)學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。

同年，曹源登上《自然》2018年度影響世界十大科學(xué)人物榜首的未知。

曹源后來(lái)的經(jīng)歷龐學(xué)林不太了解，這段時(shí)間他查超導(dǎo)方面的資料時(shí)，隱隱感覺(jué)到曹源的那個(gè)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于他尋找一種具備普適意義的超導(dǎo)理論至關(guān)重要。

因此他托人問(wèn)了下曹源的情況，這才知道曹源已經(jīng)是中科大的副教授，獨(dú)立帶領(lǐng)一個(gè)團(tuán)隊(duì)搞凝聚態(tài)物理方面的研究。

于是龐學(xué)林干脆讓左亦秋聯(lián)系上了曹源，希望能和他見(jiàn)一面。

他倒沒(méi)想到，曹源會(huì)主動(dòng)趕過(guò)來(lái)。

下午兩點(diǎn)半，龐學(xué)林在辦公室里見(jiàn)到了這位只比自己大兩歲的天才少年。

曹源中等個(gè)子，身材消瘦，帶著眼鏡，人看起來(lái)很精神。

兩人年紀(jì)相當(dāng)，又同屬于學(xué)術(shù)界的新生力量，很快就熟絡(luò)起來(lái)。

寒暄片刻之后，龐學(xué)林笑道：“曹教授，我這次之所以邀請(qǐng)你過(guò)來(lái)，是想問(wèn)你一下，有興趣加入錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室嗎？”

“加入錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室？”

曹源微微一愣，臉上不由得露出一絲為難的神色。

他之所以在接到左亦秋的電話后，主動(dòng)趕到江城，主要是對(duì)龐學(xué)林他們團(tuán)隊(duì)的大尺寸高純度單層石墨烯制備技術(shù)比較感興趣。

他也才回國(guó)一年多，目前在中科大帶領(lǐng)一支團(tuán)隊(duì)搞石墨烯超導(dǎo)方面的研究，但中科大那邊制備石墨烯采用的是CVD外延生長(zhǎng)設(shè)備，不管是純度還是缺陷，都和江大碳納米材料研究中心的石墨烯有不小的差距。

他還指望著能從龐學(xué)林這里搞點(diǎn)高純度的單層石墨烯回去，卻沒(méi)想到龐學(xué)林打起了挖角的主意。

來(lái)錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室工作，這個(gè)誘惑不可謂不大。

特別是柯頓·沃克和龐學(xué)林合作搞定鋰空氣電池后，學(xué)術(shù)界想和龐學(xué)林合作的人有如過(guò)江之鯽。

要是曹源回國(guó)之前，龐學(xué)林向他發(fā)出橄欖枝，說(shuō)不定他當(dāng)場(chǎng)就答應(yīng)了。

只是現(xiàn)在他剛回中科大一年多，中科大那邊給他的福利待遇以及科研條件都非常不錯(cuò)，而且他又是中科大培養(yǎng)出來(lái)的，對(duì)母校很有感情，龐學(xué)林突然向他拋來(lái)橄欖枝，他自然有些猶豫。

龐學(xué)林一眼就看出了曹源的心態(tài)，微笑道：“曹教授，我的意思不是讓你從中科大離職，而是我們錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室和中科大一同合作，幫你共建實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)然，你同時(shí)也算是我們錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室的一員。我唯一的一點(diǎn)要求就是，希望你能按照我給出的相關(guān)理論分析，幫我尋找碳納米材料領(lǐng)域可能存在的超導(dǎo)體。”

“啊？”

曹源微微一愣，連忙點(diǎn)頭道：“當(dāng)然沒(méi)問(wèn)題！我回去之后馬上找校領(lǐng)導(dǎo)提一下，我想我們學(xué)校應(yīng)該會(huì)很有興趣和錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室的合作。”

“那就好！”

龐學(xué)林笑了起來(lái)。

根據(jù)他所知，2014年曹原就加入了PabloJarilloHerrero在麻省理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行將碳片層堆疊和旋轉(zhuǎn)至不同角度的嘗試。

曹源的主要工作是考察在堆疊的雙層石墨烯中，如果將其中一層相對(duì)另一層旋轉(zhuǎn)極小的角度后會(huì)發(fā)生什么。

根據(jù)一種理論預(yù)測(cè)，這種扭曲會(huì)極大地改變石墨烯的行為，但許多物理學(xué)家對(duì)此持懷疑態(tài)度。

曹源決心創(chuàng)造出這種以微妙角度扭曲的雙層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了一些奇異的現(xiàn)象。

對(duì)石墨烯施加微弱的電場(chǎng)并冷卻至絕對(duì)零度以上1.7度時(shí)，會(huì)讓能導(dǎo)電的石墨烯變成絕緣體。

然后只需稍微調(diào)整一下電場(chǎng)，扭曲的雙層石墨烯就能成為一個(gè)超導(dǎo)體，讓電子實(shí)現(xiàn)零電阻流動(dòng)。

從龐學(xué)林了解到的情況來(lái)看，曹源在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用原創(chuàng)的方法先將單層石墨烯撕裂，組成方向相同的雙層石墨烯，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)校準(zhǔn)。

此外，他還通過(guò)調(diào)整低溫系統(tǒng)，達(dá)到了能讓超導(dǎo)態(tài)更為顯著的溫度。

事實(shí)上當(dāng)時(shí)凝聚態(tài)物理學(xué)界，同樣也有團(tuán)隊(duì)注意到了轉(zhuǎn)角1.2左右的時(shí)候雙層石墨烯體系的鞍點(diǎn)會(huì)降到費(fèi)米面附近，而且緊束縛的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果明顯不符，這也意味著體系存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

但沒(méi)人想到對(duì)這個(gè)體系進(jìn)行降溫，并且做輸運(yùn)。

由此可見(jiàn)曹源的這份工作并非源自運(yùn)氣，而是實(shí)力使然，他們實(shí)驗(yàn)做的很細(xì)致，也非常清楚自己的預(yù)期。

而且曹源強(qiáng)大的動(dòng)手能力，也成為這項(xiàng)成果的關(guān)鍵所在。

這也是他能夠成為那兩篇論文一作的主要原因。

這樣一位天賦實(shí)力俱佳的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，正是龐學(xué)林需要的合作對(duì)象。

接下來(lái)，龐學(xué)林和曹源又聊了一下超導(dǎo)方面的議題，就幫他擴(kuò)充實(shí)驗(yàn)室設(shè)備以及相關(guān)團(tuán)隊(duì)達(dá)成了一致意見(jiàn)，當(dāng)天晚上，龐學(xué)林還專門(mén)讓左亦秋預(yù)定了一家酒店宴請(qǐng)曹源，兩人相談甚歡。

至于后續(xù)與中科大的一些接觸以及具體合作內(nèi)容，龐學(xué)林就交給手下的團(tuán)隊(duì)去處理了。

在出席完首座金龍電池工廠落成典禮以及龐學(xué)林?jǐn)?shù)學(xué)研究中心的揭幕后，龐學(xué)林又花了五天時(shí)間，面試了一百多位希望入職錢(qián)塘實(shí)驗(yàn)室以及江城高等研究院的學(xué)者，然后開(kāi)始進(jìn)入閉關(guān)狀態(tài)。