第1246章 動量間隙與計算材料學

  第1246章 動量間隙與計算材料學~

  「又失敗了。」

  實驗室，站在一台近場光學顯微鏡面前，盯著面前的測試數據看了一會後，徐川輕嘆了口氣，將圓偏振探測脈衝激發電子設備中的實驗樣品扔進了垃圾桶中。

  不得不說，製備一份完美無瑕的光子時空晶體並不是那麼容易的事情。

  即便是理論方面的難題他早就已經解決了，通過凝聚態物理領域建立的強關聯電子框架體系結合時間反射與電流多模激射結構理論上來說可以製備出最完整的光子時空晶體材料。

  但實際上理論是理論，要將其轉變成實驗室中的操作卻是難上加難。

  儘管理論上來說通過精確控制兩束不同顏色光，如一束紅色雷射和一束藍色雷射的偏振態、空間模式和相對相位，讓它們的電場矢量在時空演變中形成複雜的、打結的拓撲紋理，並周期性重複可以構建出規範的時空晶體間隙。

  這種方法的優勢在於拓撲性質可調，可以實現高維信息編碼和新型光與物質相互作用。

  但它的缺陷也很明顯，首先是高速時間調製的實現難度極大。

  尤其在光學波段，需要皮秒甚至飛秒級的調製速度，對驅動源和調製器本身都是極大考驗。

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  其次是時空間隙的自組裝與外場誘導難度同樣極高，一旦有一個間隙錯亂，那麼整塊材料基本上會全部報廢掉。

  要知道製備這種光子時空晶體使用的基地材料可是定製的超高純淨度的藍寶石片。

  一塊小拇指指甲大小的藍寶石基底定製價格就高達大幾十萬，更別提在實驗過程中需要使用到的各種高精尖端設備了。

  毫不誇張的說，每一次的製備實驗，不管成功與否都要耗費數百萬的資金。

  而這近一個月的時間下來，其他人不說，光是他自己就進行了超過十五場的實驗，光是經費就用掉了差不多四千萬。

  而除了他以外，晶體結構實驗室中也還有其他的科研人員同樣在進行類似的實驗。一個月下來消耗掉的經費超過了五個億。

  如此誇張的投入，而且還是在單一的光子時空晶體的研發製備上，國內能夠支撐起來的恐怕也就星海研究院了。

  像寧德時代投資2027年全年對鋰空氣電池實驗室的科研資金投入是102億，平均下來一個月就是5億，聽上去要超過了光子時空晶體材料的研究。

  但實際上那102億是拆分到了眾多不同的項目上的。

  比如研究鋰空氣電池正極界面反應機制，開發無碳自支撐材料（如單晶介孔NiO納米片、），優化電極性能。

  或者是開發基於固態複合電解質的鋰空氣電池，實現室溫下四電子反應機制等等。

  一個鋰空氣電池實驗室，涉及到的鋰空氣電池研究項目多達上百個。

  平均下來每一個項目一年的研發資金也就一個億左右而已，一個月僅有850萬左右，還不到一千萬。

  和光子時空晶體材料的製備實驗一個月直接消耗掉五個億遠遠沒法相比。

  摘掉了穿戴著的實驗手套，徐川走到了實驗室的另一邊，看向了晶體結構實驗室的負責人，前些年從中山大學那邊挖過來的童聖福教授，開口問道。

  「童教授，你這邊的情況如何了？」

  目前晶體結構實驗室對光子時空晶體的研究製備主要走兩個方向，一個是他自己負責的以高純淨度藍寶石作為基地進行雙色光場編織拓撲紋理到超表面動態調控的方案。

  另一個則是童聖福教授帶領的團隊採用電子束光刻、離子刻蝕等微納加工技術製作納米天線陣列的超表面加工路線。

  現在他這條路差不多走到了盡頭，動態調控的方案雖然的確可以做到對光子時空間隙的調控，但精細度遠遠達不到要求。

  實驗室中，正盯著目前電腦屏幕上的實驗數據皺著眉頭思索著什麼的童聖福教授搖了搖頭，開口回道。

  「情況並不是很樂觀，無論是電子束光刻還是離子刻蝕這些加工技術的精度都不夠。」

  「我看過兩條路線最近這一周的實驗研究數據，超表面加工路線的精度還比不上您嘗試動態調控方案。目前能製備出來的光子時空晶體結構僅僅是個位數納米級別的，遠達不到要求。」

  說到這，童聖福教授轉過身來，看向徐川，皺著眉頭開口道：「如果想要嘗試在光刻加工的這條路上提升精度，或許我們應該嘗試一下光刻機的線路。」

  「雖然光刻機的精度遠比不上電子束直寫的超高精度，但它的穩定性和可控性更好，也更適合大規模的批量化生產。」

  聞言，徐川輕輕的搖了搖頭，開口道：「光刻機雖然能夠做到納米級的超精細加工，但它和時空晶體結構間隙的處理不是同一條路線。」

  「而且使用光刻機對時空光子晶體的結構進行加工的話，你還需要研究出來超潔淨化學試劑、光掩膜版、蝕刻液等材料。難度不會比現有的離子刻蝕加工技術低。」

  說到這，徐川停下來思索了一下，接著道：「不過這或許可以嘗試一下，我這邊讓人去魔都微電子那邊購買幾台14納米的光刻機過來。」

  「到時候這條路線由你帶人嘗試一下。」

  童聖福教授點點頭，道：「可以，那您呢？」

  徐川想了想，開口道：「我準備從計算材料學的路線上再嘗試一下，看看是否能夠找到一些其他的線索。」

  「我有預感，現有基於光子晶體材料的加工路線和方案放到深入延展的光子時空晶體結構上是行不通的。」

  「時間反射需要周期性的結構變化，可以讓它們在時間維度上表現出周期性的變化，而不是在空間上。」

  「最為關鍵的是這種周期性變化是自發的，即它們可以在沒有外部能量輸入的情況下持續進行。」

  「這和光子晶體的光子帶隙結構產生的能帶效應完全不同。」

  聽到這話，童聖福教授也嘆了口氣，開口說道：「沒辦法，我們只能在現有的路徑上一點點的往前摸索前進。」

  「光子時空晶體雖然與光子晶體材料完全不同，但好歹也是從後者身上衍生出來的，沿著光子晶體的製備路線往前摸索總比隨便找個方向抓瞎更合適。」

  說到這，他停頓了片刻，抬頭看向徐川，感慨著說道：「不過將時間反射這種具有時間平移對稱性破缺特性，只有在廣闊的宇宙中才能藉助空間達到效果的理論集成到原子級別的結構上這種想法，怕也是前無古人後無來者了。」

  「如果真能夠做到的話，這將給材料的研發開闢出一條全新的道路！」

  徐川笑了笑，道：「其實這就是對現有的材料維度進行操控，我們生活在三維宇宙中，材料也就有長寬高三個維度。而現有的材料結構基本都是對它們進行操控，我只不過是嘗試性的將時間這個維度映入三維結構中來而已。」

  「簡單的來說就是將三維晶體的概念拓展到四維時空中，讓物質在時間的維度上也周期性排列。並沒有你想的那麼複雜。」

  童聖福搖搖頭，道：「但在你之前可從未有人思考過材料還能這樣研發，您能想到，這就是創意性的突破。」

  徐川笑著道：「行了，這邊的研究和實驗就先交給你了，我先回去一趟。」

  童聖福教授笑著道：「能否開闢一條材料研究的全新道路，希望都在您的身上了。」

  徐川擺擺手，揮手走出了實驗室。

  帶著整個光子時空晶體材料研究團隊的希望，徐川回到了紫金山腳下的別墅中。

  書房中，他打開了光子時空晶體結構的理論文件，盯著電腦上此前無極量子超算中心給出的模擬計算數據，陷入了沉思中。

  作為一種介電介質結構，折射率會隨時間發生較大的超快周期性變化的材料，理論上來說它在折射的過程中介質裡面傳播的波會經歷時間反射和時間折射兩種不同類型的傳播。

  而折射率的周期性調製使這些時間反射和時間折射發生干涉，從而在動量中產生帶和帶隙。

  要想掌控介質中傳遞的時間反射和時間折射傳遞波，目前唯一的方案便是動量間隙。

  但動量間隙這玩意兒在納米級上的製備，似乎不是那麼好解決的。

  至少，比他想像中的要困難的多。

  看著電腦屏幕上的模擬數據，盯著從腳下超算中心資料庫中調取的計算材料學模型，徐川盯著它看了很久很久，皺著的眉頭遲遲沒有舒展開來。

  許久之後，他輕輕的嘆了口氣，自言自語的開口道。

  「如果說超表面動態調控和超表面加工路線路線都行不通的話，那麼剩下的最好的方案就是化學法了。」

  「還原法、電解法、羰基法、液相沉澱法、氣相沉積法、熱分解法選哪一種？」

  思索著，徐川率先在紙上叉掉了還原法、羰基法、熱分解法這三種。

  很簡單，這三種方式都不適合光子時空晶體材料這種需要在基底上製備出動量間隙結構的材料。

  「液相沉澱、氣相沉積。」

  思考了一會，他最終將目光落在了這兩種製備方法上。

  液相沉澱是通過化學反應使目標物質從溶液中析出，常見方式包括酸鹼中和、鹽析等等。

  比如從飽和氯化鈉（食鹽）溶液中沉澱出食鹽顆粒就是這種製備方法中的一種類型。

  但液相沉澱產物多為無定形固相，粒徑分布較寬，純度受反應條件影響較大，很難在沉澱物上引導構造動能間隙結構。

  「那麼剩下的唯一方法就是氣相沉積了。」

  事實上，相對比液相沉澱法來說，氣相沉積則更多用於高端材料製造如半導體晶片、光學塗層及超精細表面處理。

  它的產品精度能夠與光刻加工或光束加工相提並論。

  但高精度氣相沉積通常使用CVD化學氣相沉積法，而這一方法需要800℃以上的高溫，高溫可能引起基體晶粒長大、力學性能下降或變形。

  這也是徐川一開始沒怎麼考慮通過氣相沉積法來製備光子時空晶體材料的原因。

  因為一丁點的變形或缺點都會導致材料內部的動能間隙結構失效，導致時間反射過程無法正常進行。

  但現在看來，不嘗試也沒有其他的辦法了。

  思索著，徐川翻開了一頁新的稿紙，對照著從超算中心資料庫中調取的計算材料學模型開始處理材料需要的數據。

  所謂計算材料學精確計算材料的結構、類型等數據也並不是憑空就能想像出來的。

  即便是徐川，也不可能僅僅憑藉一紙一筆算出該用什麼材料引導光子時空晶體材料在製備的過程中沉積出來特殊的動能間隙結構。

  所謂計算材料學的正確用法，是先進行實驗，然後通過具體的實驗數據來藉助計算機的強大運算力，從納觀、微觀、介觀等多尺度研究各分子的運動情況，進而推算出研究對象的宏觀性能。

  好在過去一個月的時間針對光子時空晶體的製備研究讓他已經掌握了足夠多的材料特性數據，足夠以此為基礎進行推衍了。

  將注意力集中到面前的稿紙上，徐川一邊通過超算處理著之前的實驗數據，一邊將這些數據轉化成計算材料學可用的數據，再將其原始化後輸入到腳下的量子超算中心。

  值得一提的是，在無極量子超算中心建造的時候，他所居住的別墅腳下的超算也順帶著一起重建了。

  當然，更準確的來說是新建一座小型的量子超算中心，與原先的超算系統並行使用。

  這樣一來他就可以不必將自己需要處理的問題不遠千里的送到巴陵那邊去處理了。

  在腳下量子超算中心的加持下，一項項的模擬材料推衍如魚得水般順利的進行著。

  雖然他已經有很長一段時間沒有從事材料的研究了，但化學材料計算模型本就是他的成果。

  材料的研發對他來說並不陌生。

  手中的原子筆在潔白的稿紙上划動著，一行行數學公式與化學符號如行雲流水般地印在了草稿紙上。

  【PL=kE/2π·Pr±ufpy】

  【其中K為被填充的能級數目或者說邊緣費米子的數目，當粒子耦合沿著y方向的電場時，這些無能隙的費米子會產生規範反常。】

  【相應地，可以得到一個量子化的Hall電導，即σxy=νe/h】

  已經進入研究狀態徐川眼眸中只剩下了稿紙上的一行行數學公式與符號。

  那深邃的眼眸中就仿佛有著一片微觀世界，那一顆顆的粒子在數學工具的引導下如同DNA中的鹼基對一般有序的排列著，通向了光子時空晶體的構造秘密。

  （還有更新耶）