第352章 夹心结构材料

目前高温超导材料现在的最高温度记录是由德意志马普化学所的Drozdov团队保持的250K（-23°C）。他们发现了氢化镧（LaH10）在170GPa压力下变成超导体，创造了这一纪录。温度的确是不错，但170GPa（相当于1700万个标准大气压）这个天文数字让这个记录毫无意义。

“这个目标当然很难实现，但我觉得我们可以从分析镧钇铜氧材料超导的过程入手。数学物理计算机模拟方法可不仅仅能够筛选材料提高效率，它更重要的意义在于能够反复不停的进行模拟实验，从而获得大量的实验中间数据。通过这些数据，我们就可以更加清晰明了弄清楚物质变化的过程，弄明白超导发生的每一丝微小因素。”

陈季常这么一说，顿时给陆欣仪和罗文坤指明了下一步研究的方向。两人眼前一亮，顿时显现出兴奋的表情。

有了方向，三人立即就热火朝天地行动起来。

陆欣仪和罗文坤一步步跟踪温度变化时模拟实验产生的海量数据，从这里面海里淘金，寻找有意义的关键数据。就这样忙碌了一个月，两人终于有了初步发现。

陈季常看着两人整理的数据汇总，很是满意。他俩终于学会了如何充分利用计算机模拟实验数据，也不枉费自己一步步不断引导。

其实说实在的，陈季常手里就有从系统那里兑换过来的超导材料模型，如果纯粹追求速度的话，陈季常带着两位伙伴，不出一个星期就能把这一切全部搞定。可是这样一来有什么意义呢？自己莫名其妙弄出来一个成就，陆欣仪和罗文坤还是两眼茫然，这不就是研发，这是照抄！

所以陈季常必须慢慢来，水到渠成，丝毫不能着急！

“你们看，铜原子序号是29，即有29个质子，29个电子。铜原子核外电子排布式为1s2(2)s2(2)p(6）3 s(2)3p(6)3d(10)4s(1)，实际上它是dsp2杂化轨道，四条轨道上有四个电子，dsp2杂化轨道达到全充满（4个电子）和半充满（2个电子）、全空（没有电子）时最稳定.铜离子(Cu2+)最外层电子排布式3s(2)3p(6)3d(9)。

而镧的原子序列数是57，即有57个质子，57个电子。外围电子排布：5d16s2，核外电子排布：2，8，18，18，9，2，电子层：K-L-M-N-O-P。

钇的原子序列数是39，即有39个质子，39个电子。电子层排布为2-8-18-9-2，其核外电子排布式为1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(10)4s(2)4p(6)4d(1)5s(2)。

我们都知道，氧的外围电子排布是1S2，2S2，2P4。这样一来，这四种元素的混合物就有了很奇特的性质。”

陈季常指着屏幕上的数据曲线一步步继续说，陆欣仪和罗文坤跟着他的思路，陷入沉思。

“我们都知道库珀对（Cooper Pairs）的形成机理，在超导材料中，电子不是单独运动的，而是成对地运动，这些对被称为库珀对。在超导状态下，这些库珀对可以无阻碍地通过材料，不受到材料的电阻影响。其中构成超导材料的关键在于费米能级与能隙：也就是在费米能级附近存在一个能隙，这意味着电子不能在这个能量范围内单独存在。这种能隙的形成与库珀对的形成密切相关，并且导致电阻的消失。

咱们的镧钇铜氧材料之所以具备超导性，就在于特定的晶格结构和对称性有利于库珀对的形成和稳定。电子与晶格振动（声子）之间的相互作用是超导性产生的关键。这种相互作用导致电子配对和电阻的降低。

在镧钇铜氧材料中，通过掺杂镧和钇改变材料的电子结构和超导性质，从而可以调整费米能级和能隙，从而影响超导温度和其他性质。

”

陆欣仪和罗文坤连连点头，他们似乎明白了一些，但如何去改进，还是没有任何方向。

陈季常接着说：“所以，在镧钇铜氧材料里，铜作为过渡金属，起着最基础的作用，它就好像是坚实的土地，承载着全部的元素。而氧就像是一条条四通八达的道路，铺在土地上，引导电子按秩序前进。而镧和钇这两种稀土元素，都有大量的外层电子，但却刚好相处于稳定态的两端，镧有极为微弱的推力，钇有极为微弱的拉力。就这样一推一拉，电子就能以更加顺畅的姿态通过了。”

陈季常说到这里，陆欣仪和罗文坤一脸欣喜，算是终于听懂了他的想法。

“老大，你说的我算是大概明白了，那么下一步我们该如何改进呢？是更换更有推拉力的微量金属元素，还是用别的元素代替氧？”

陆欣仪一语道破，让罗文坤连连点头，看来下一步的改进就只能在这两个方向进行。尝试别的微量金属元素，来代替镧和钇。或者干脆用硫甚至氢来取代氧，弄出铜的硫化物甚至氢化物来！

陈季常点点头，又摇摇头。

看着二人迷惑不解，他说出自己的想法：“你们说的都很对，也是实施可行的方法。但我觉得，只在单一的化合物中间打转，不断研制更加复杂的化合物，并不是最佳的选择，可能也不是最终解开超导难题的方案。我们为什么不试一试多层复杂结构？”

“多层复杂结构？”罗文坤几乎不能相信自己的耳朵，他惊愕地转头看向陆欣仪，对方也是一脸茫然。

“对！多层复杂结构！”陈季常点点头，在纸上画出一个三明治式的三层结构的示意图，指给他俩看。

“坤坤欣仪，你们看！石墨烯具有极高载流子迁移率的零带隙半导体，并具有完美的狄拉克锥形能带结构，它的导带和价带具有重合的狄拉点。石墨烯本身不具有超导特性，但石墨烯独特的能带结构，高载流子迁移率以及可通过人工层状原子堆垛方法，实现扭曲角度而调控套叠石墨烯体系的微观电子结构等特性，使其具备实现超导潜能。

如果我们用石墨烯作为三层结构的中间层，来代替镧钇铜氧材料的氧原子，就能给游离电子建立一条畅通无阻的高速公路，具有更好的电子结构的可调控性和超导特性。

上层使用掺了微量镧元素的铜合金，下层使用掺了微量钇元素的铜合金，游离电子就能在薄薄的石墨烯中间层两边形成库珀对。三层石墨烯中的门调谐范霍夫奇点，将电子系统的自发铁磁极化驱动为一种或多种自旋（Spin）电子和谷（Valley）电子特征。”

陈季常说得很玄奥，要是换成别人肯定听得一头雾水。但罗文坤和陆欣仪的眉头却慢慢舒展开来，眼睛里露出欣喜的光芒。

“老大，你的脑袋简直神了！这种匪夷所思的想法是如何冒出来的？我的脑袋跟你一比，那就是块花岗岩！”罗文坤赞叹不已。

“老大，你的想法的确很有新意，但我估计实现起来很难。单层石墨烯本身就极难实现，更别说是这种三层夹心结构了！”陆欣仪赞许过后，立即就发现了其中的问题。

“你说得没错，的确会出现这种难题。但我估计，即使中间层的石墨烯达不到单层，也有部分库珀对电子形成。当然，层数越多形成库珀对电子的概率越低。但这样一来，也会让最终复合材料的电阻大幅度减小。“陈季常笑着说出自己的估算。

“你是说如果制备石墨烯精度足够，能够达到单层，就会形成常温常压超导材料。就算精度达不到，也能生成一种低电阻率导体材料。是这个意思吗？”陆欣仪惊喜地追问。

“银的电阻率是1.586*10-8Ω·m，我估计如果石墨烯是两三层的话，电阻率应该不到银的十分之一，再厚就不好说了！”陈季常点点头，说出自己的估算。

“太好了！那还磨叽什么，赶紧构建材料模型，投入计算机模拟实验中验证呀！”陆欣仪直接蹦了起来，整个人充满斗志！

“好！加油！”陈季常和罗文坤也目光对视，大喝一声！

这种三层夹心结构的材料模型自然要比那种混合材料复杂多了，但再怎么困难，也就无非是工作量的问题，不存在技术上的难关。

就这样，陈季常带领陆欣仪和罗文坤用了一周时间，终于将这种三层夹心材料数据模型构建出来了。

模型一出来，几乎没有任何迟疑，三人就将它导入计算机里，开始进行模拟实验验证！

服务器顿时嗡嗡声大作，开始全力运转起来了。

“好吧，这个验证恐怕需要一两天时间。这些日子大家都忙坏了，还是赶快回去好好休息休息，等到验证结果出来，还有更繁重的工作要做呢！”

陈季常伸了一个大大的懒腰，看着一脸疲倦的罗文坤和陆欣仪，劝说他们回去休息。

“老大，这种情况下，谁还睡得着呀！”罗文坤尽管顶着黑眼圈，依旧精神奕奕。

陆欣仪虽然没有说话，但从她的表情就可以看出，她也不想回去休息。