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234 反常量子霍尔效应与超导电缆

我的舰娘很科学 蓝星海 2546 2020.06.22 13:30

  上一次永宁公主来金素帕的时候,陈枫直接拿出了常温超导材料的样品和资料以示诚意。交换的条件之一就是双方共享研究成果。

  现在永宁带来的就是大明科学家对超导材料样品的研究进展。

  专业问题自然不可能让永宁自己来谈。于是她示意身后的一个随员走上前来,向陈枫介绍道:“这是我的科学顾问刘韬。他会负责技术交换的具体细节。”

  这是一个三十来岁的年轻男人。中等身材,其貌不扬,属于那种丢进人群就再难找出来的人。

  他打开了面前的笔记本,把幻灯片投影到了实验室的空白墙上。然后不急不缓地讲解了起来:“我们研究了贵方提供的超导材料样本和微观模型,提出了几种理论解释……”

  旁边的文员将一本厚厚的文件夹放到了陈枫面前。文件夹的封面上印着大明的金色龙纹。

  陈枫打开文件夹扫了一眼。里面前几十页都是超导材料的研究资料。于是他顺手把文件夹推到了列克星敦面前。

  脑伴虽然能够帮助陈枫瞬间记住资料内容,但想要真正搞懂仍然需要他自己思考。

  列克星敦也没有直接阅读,而是伸出指尖轻触了粘在文件扉页上的存储卡。

  按照事前的约定,大明会把完整资料以加密数据的形式移交给陈枫。现在展示的幻灯片只是做个样子而已。

  十几秒后,永宁的科学顾问还没讲完第一章幻灯片,陈枫就通过内部数据链获得了全套的技术资料。并且列克星敦还添加了详细的注释和讲解。

  大明的研究人员认为这种常温超导材料是基于“反常量子霍尔效应”实现的。

  陈枫之前并没听说过“反常量子霍尔效应”这个名词。但通过列克星敦共享过来的知识,他立刻就明白了八九成。

  这个名字其实有三层逐步递进的概念:反常——量子——霍尔效应。

  最基础的概念——“霍尔效应”,其实就是法拉第电磁感应原理的一个推论。意思是当电流垂直通过磁场中的导体时,会在导体中产生一个与电流和磁场方向垂直的电压——霍尔电压。

  在宏观导体中,霍尔效应产生的电压会随着电流和磁场的增强而等比例增强。

  但当这个导体的厚度减薄到接近一个原子厚度,变成一个“二维导体”时,情况就不一样了。

  根据量子力学原理,微观领域的任何物理量都不再是连续的。

  所以二维导体中的霍尔电压也不再是连续提高的,而是一个台阶一个台阶地逐级提高。这就是“量子霍尔效应”。

  当量子霍尔效应的电压处于“台阶”的平台上时,一个奇异的现象发生了——

  二维导体的内部变成了绝缘体,而边缘则变成了超导体!

  这理论上可以用来制造超导材料。

  但量子霍尔效应产生超导体仍然需要外加一个强磁场。

  那么能不能让二维导体材料自己具备磁场呢?

  还真的能。

  这就是“反常量子霍尔效应”。

  在陈枫穿越前的2018年,清华大学的薛其坤研究团队在钛酸锶衬底上外延生长的铬掺杂薄膜中,第一次观测到了反常量子霍尔效应。这个发现获得了当年的国家自然科学奖一等奖。

  但到这一步仍然不够。

  因为量子霍尔效应的超导只能出现在边缘上。仅仅几个原子宽的超导体,能够承载的电流实在太小了。

  所以想要做出实用化的超导材料,就必须在一片材料中做出鱼鳞状密集的小块二维导体。并且这些二维导体越小越好,最好也只有几十个原子宽。

  这样一来,超导区域就会联通成密集的网络,从而承载足以发射电炮炮弹的强大电流。

  解决这个难题的技术,同样在陈枫穿越前就为人所知了。

  2017年,麻省理工学院一位年仅21岁的中国博士生发现把两层石墨烯偏转一个特定的“魔法角度”相互叠加,就可以让电阻变成零。

  当年,世界顶级科技期刊《自然》杂志连刊两文报道了团队的这一重大发现。“魔角石墨烯”轰动全球。

  而“魔角石墨烯”的神奇正是来源于两层石墨烯之间形成的鱼鳞状结构。这些纳米尺寸的六边形,正是一个个微小的二维导体。

  陈枫从胡德舰装中搞到的这种常温超导材料,正是将这两种前沿科技实用化的产物。

  它是在两层交错的单层石墨烯之间夹着只有一个分子厚度的金属络合物,形成鱼鳞状的二维导体。然后用两层特制的磁性绝缘材料把这个只有三个分子厚的薄膜包裹起来,就制成了具备反常量子效应的纳米超导薄膜。

  上百万层纳米超导薄膜,像千层饼一样粘合在一起,就形成了一根超导体窄带。

  窄带外面包裹一层十几微米厚的碳纤维,以防止磨损。然后外面再用零点五毫米厚的导磁合金带一层层缠绕起来。此时磁路接通,反常量子霍尔效应的条件就都满足了。

  接下来,把这根带状导体呈螺旋形缠绕在一根铜管上,外面再依次包裹上绝缘层、隔热层、以及碳纤维防护层。

  最后在铜管内通入零下四十度的冷媒,带状导体里的薄膜就会因为反常量子霍尔效应而变成超导体。

  于是整根电缆的电阻就瞬间变成了零,并且可以承受能够瞬间把炮弹加速到十倍音速的巨大电流。

  现在这个时空的科技水平比旧时空要落后一些,但相关的基础知识都已经具备了。这个时空的研究者和常温超导技术之间,差的只是一层窗户纸而已。

  所以当超导材料的实物和微观结构模型放在眼前时,大明帝国的研究者很快就推测出了其中的科学原理。他们甚至还据此提出了一些关于制造方法的技术设想。

  而这种科学原理和制造技术,正是陈枫所需要的。

  ………………

  对面的大明科学顾问又翻过了一张幻灯片,却被陈枫打断了讲解:“等一下,这段科学原理不用讲了。请向后翻到制造工艺的部分。”

  刘韬心中暗暗叹了口气,停下讲解开始向后翻页。

  这种遭遇他已经习以为常了。虽然还是会吐槽这些政客听不懂科学,但他并不会把这种腹诽表现在脸上。

  他只是依言把PPT翻到介绍生产方法研究的那一张。

  这一页上的内容很简略,只有两排共计七个小标题。因为大明在这方面其实也没什么实质的进展。

  不过刘韬还是耐着性子开始讲解:“这种超导材料是一种二维纳米材料,需要非常特殊的制造设备和方法。我们通过研究筛选,认为有七种最可能的生产路线。但因为对应的纳米级制造设备十分特殊,需要专门设计定制。我们估计,光是设计定制试验设备就需要三年以上的时间,以及超过二十亿明元的资金……”

  陈枫其实并没有留意听刘韬的讲解。他从桌上拿起激光笔,用红色的光点在幻灯片上画了几个圈:“不用麻烦了。一号方法是正确的。二号和七号也可以试试,但产量只有一号方法的十分之一。”

  刘韬顿时噎住了。

  他瞪大了眼睛,难以置信地看向陈枫。

  房间里顿时陷入了一片寂静。大明使团的所有人都吃惊地看着陈枫。

  片刻之后,永宁打破了沉默:“你知道制造方法?那为什么还要把它作为交换条件?”

  “不,我之前并不知道。”陈枫摇摇头,“我也是刚刚知道。”

  永宁诧异地瞪大了眼睛。

  所有人都没听懂陈枫这句话,只有列克星敦的嘴角露出了微笑。

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作者感言

蓝星海

蓝星海

因为现实和网络上的一些事情,鸽了好久,十分抱歉。虽然还没完全处理好,不过我会尽量保证每天抽时间码字的。

2020-06-22 13:30

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