等待电话的那些天,林哲开始做一件他想了很久的事。
不是修MgB₂。那块样品交出去之后就和他没有关系了,昆仑的测试组会用自己的方式验证它。在结果出来之前,他什么都不能做,什么都不能问。宋明远说“等我电话”,他就只能等。但等待不等于什么都不做。
他把B₂₄H₄₈的设计方案从笔记本上撕下来,贴在拆迁楼的墙上。不是真的墙——是他在脑子里搭建的那面墙。每一次进入微观状态,他都会先在这面“墙”前站一会儿,把整个结构从头到尾过一遍。二十四硼四十八氢。双层二十面体。内笼十二硼,外笼十二硼。氢原子填充笼内和内外笼之间的夹层。
这不是一个存在于任何文献里的结构。
他查过了。硼氢化物的研究不少,有人做过硼二十面体的理论计算,有人合成过硼氢笼状化合物,但没有人提出过双层嵌套结构。因为正常的化学合成做不出来。内笼和外笼之间的间距需要精确到零点一纳米以内,氢原子的位置需要逐个指定,任何一个位置的偏差都会导致整个笼子崩塌。在常规实验室里,这是不可能的任务。在他手里,这是可能的。
他把设计方案拆成七个步骤。
第一步:搭建内笼骨架。十二个硼原子构成一个二十面体,每个硼原子挂一个氢原子指向笼心。第二步:填充内笼氢。在二十面体笼心塞入高密度氢原子,间距控制在接近高压氢化物的水平。第三步:内笼应力测试。确认硼硼键和硼氢键在氢原子紧密堆积的压力下不会断裂。第四步:搭建外笼骨架。另十二个硼原子在内笼外围构成第二个二十面体,通过硼硼键与内笼连接。第五步:外笼氢。每个外笼硼原子挂一个氢原子指向笼外。第六步:夹层氢填充。在内外笼之间的空隙里填入剩余的氢原子。第七步:整体应力优化。检查所有键长、键角,微调每一个原子的位置,让整个结构达到最低能量状态。
每一步他都在感知中反复演练过。不是真的搭,是用感知力在虚拟空间中“模拟”。把感知力捏成原子的形状,按照设计方案排列,观察结构的稳定性,感受应力的分布。这和他之前训练控精度的方式完全不同。之前是“实”——真的去推一个原子、拉一条化学键。现在是“模拟”——不接触真实物质,只在意识中构建虚拟的结构。
他花了三天才学会这种切换。实用的是“触觉”——感知力像手,伸出去抓住原子。模拟用的是“视觉”——感知力像眼睛,看着虚拟的原子排列,但不触碰。两者的区别,大概相当于用手捏一个泥人和在脑子里想象一个泥人的区别。一开始他总是不由自主地想去“碰”那些虚拟原子,一碰,虚拟结构就塌了——因为他的感知力一旦介入,就会改变虚拟原子的位置,而他没有真实原子作为参照来抵消这种扰动。后来他学会了“只看不碰”。在意识里划出一块隔离区,让虚拟原子在那里自己排列、自己振动、自己寻找平衡位置。他只是观察者。
第四天,他在模拟中完成了内笼骨架。十二个硼原子构成的二十面体在他意识中稳稳地悬浮着,每一个硼原子上挂着的氢原子指向笼心,像一朵机械感十足的金属花。他让它在隔离区里“跑”了整整一个小时——在他的意识时间里大概只有几分钟——观察它的热振动模式。硼硼键的伸缩振动、硼氢键的摇摆振动、整个二十面体的呼吸振动。频率都在正常范围内,没有异常的应力集中。
第五天,他往内笼里填氢。一颗,两颗,三颗。填到第四颗的时候,虚拟结构发出了警告——不是真的声音,是他在模拟中设置的一个阈值:当某条化学键的应力超过正常值百分之二十时,那条键会在他的感知中“变红”。他看到内笼骨架上有三条硼硼键变红了。氢原子塞得太多,把笼子撑得太紧。他停下来,调整氢原子的位置,让它们分布得更均匀。红变淡了,但没有完全消失。他又调整了一次,把四颗氢原子的间距从零点一五纳米拉大到零点一八纳米——还在高压氢化物的范围内,但对笼壁的压力小了一些。红消失了。他继续填。第五颗,第六颗。每填一颗就停下来观察应力分布,调整已有氢原子的位置。填到第八颗的时候,无论怎么调整,总有两三条硼硼键保持在淡红色。他停下来,意识到这可能就是内笼的极限了。不是结构的极限,是材料的极限——硼硼键的强度是固定的,能承受的拉伸应力有上限。如果他把氢原子塞得太密,笼子就会被撑破。
他把内笼氢的数量定在八颗。比最初设计的十二颗少了四颗,但安全性高得多。
第六天,搭建外笼骨架。十二个硼原子在内笼外围就位,通过硼硼键与内笼连接。这一步比内笼容易,因为外笼有内笼作为依附,不是从零开始。但他很快发现了一个新问题:外笼的硼原子和内笼的硼原子形成硼硼键时,会把内笼的硼原子往外“拽”。内笼原本接近完美的二十面体开始变形——被拽的地方往外凸,没被拽的地方往里凹。他反复调整外笼硼原子的位置,让它们施加在内笼上的力尽量对称。调整了不知道多少次,内笼的变形被控制在可接受的范围内。
第七天,外笼氢和夹层氢。他把氢原子一个一个放进设计位置,每放一个就停下来看应力。整个结构在他意识中完整地悬浮着,二十四硼,四十氢——比最初设计的四十八氢少了八颗,但更稳定。所有的键长和键角都在设计公差内。热振动模式正常。没有红色警告。
他在虚拟空间中完成了B₂₄H₄₈的设计验证。
不是理论验证——他没有计算超导转变温度,没有求解BCS能隙方程,那些不是他的能力能做的事。他验证的是结构本身:这个由二十四硼四十氢构成的双层笼状结构,在常压下是稳定的。如果他的判断是对的——如果超导转变温度主要取决于晶格振动频率和电子声子耦合强度——那么这个结构应该具有比MgB₂高得多的转变温度。高多少?不知道。会不会到室温?有可能。
只有做出来才能知道。
第八天,他开始动手。
拆迁楼,凌晨四点半。十一月的北京,这个点儿离天亮还有将近两个小时。他把从实验室带出来的原料在木板上摆开——一小瓶硼粉,三个九,棕色细粉;一小瓶氢源,实际上是从水裂解出来的,他提前用能力把水分子拆成氢和氧,氢存在一个密封的小玻璃瓶里,氧放掉了。硅片衬底,用来承载最终成品。还有一个从实验室借来的小型加热台,充电宝的那种,用来做“幌子”。
他先提纯硼粉。
无定形硼粉里含有氧、碳、金属杂质,在原子尺度上,这些杂质会破坏他设计的笼状结构。他用能力进入硼粉,在一片由硼原子构成的无定形网络里,氧原子抱着硼原子形成氧化硼的小团簇,碳原子孤零零地嵌在网络里,还有一些铁和镍的原子。他的任务是把这些杂质一个一个揪出来。揪一个氧原子,扔到空气中。揪一个碳原子,扔掉。揪一个铁原子,扔掉。硼网络在他揪走杂质的过程中不断重组。原本被氧原子占据的位置空出来,邻近的硼原子会重新成键,把那个空洞填上。
这个过程极其枯燥。一个原子一个原子地挑。像从一麻袋米里把混进去的沙子一粒一粒拣出来。他拣了将近两个小时。太阳开始发胀的时候,他停下来,退出状态。硼粉在玻璃瓶里,肉眼看上去和之前没有任何区别。但他知道,里面的杂质少了大约三分之一。够用了。他不需要把整瓶硼粉都提纯到完美,只需要提纯出足够搭建一个晶胞的量——几十个硼原子就够了。
他休息了十分钟,喝了几口水。窗外,天边开始泛出第一层极淡的灰白。
然后是氢。
氢比硼难得多。氢原子极小,原子核只有一个质子,电子云薄得像一层纱。他的感知力在穿透氢的电子云时几乎没有阻力,但也因此很难“握住”它。推一个硼原子像推一颗玻璃珠,推一个氢原子像推一粒灰尘——太轻了,稍微一用力就飞得没影了。他从玻璃瓶里释放出几个氢分子,用感知力捕捉,拆成氢原子。第一次,十个氢原子里只抓住了三个。第二次,抓住了五个。第三次,七个。他把抓到的氢原子一个一个“放”到硅片衬底上预先设计好的位置。
然后开始搭内笼。
第一个硼原子。放在硅片表面一个被他清理过的位置。第二个硼原子,调整距离和角度,让它和第一个形成正确的键角。第三个。第四个。搭到第六个的时候,前面五个里有一个偏移了位置,整个骨架的应力分布改变,已经搭好的部分开始变形。他不得不拆掉重新来。第二次,搭到第八个的时候,一个氢原子从指缝间溜走了。他深吸一口气,把溜走的氢原子抓回来,继续。第三次,内笼成功合拢。十二个硼原子构成的二十面体在硅片表面稳稳地立着,每一个硼原子上挂着的氢原子指向笼心。
他开始往笼心里填氢。
一颗。应力正常。两颗。正常。三颗。正常。填到第四颗的时候,和模拟中一样,硼硼键开始变红。他停下来,按照模拟中摸索出的最优分布调整氢原子位置。红变淡了。继续填。第五颗,第六颗。第七颗。第八颗。内笼氢填完了。笼子稳定。氢原子之间的间距大约和高压氢化镧里的氢氢间距相当。
外笼骨架。十二个硼原子一个一个就位,通过硼硼键和内笼连接。他特别注意对称性,让外笼施加在内笼上的力尽量均匀。内笼有轻微变形,但在可接受范围内。外笼氢,夹层氢。他把最后一个氢原子放入预定位置。
整个结构在硅片表面完整地立着。二十四硼,四十氢。每一个原子都在他指定的位置上,每一条化学键的长度和角度都在设计公差内。笼子稳定,热振动频率和他在模拟中观察到的一致。
他退出微观状态。
什么都没有发生。没有光,没有声音,没有任何戏剧性的迹象。硅片衬底上,肉眼看上去依然空空如也。一个晶胞的尺度是纳米级别,他搭的这个笼子直径不过两三纳米,在可见光下完全透明。但他知道它在那里。他能感觉到。不是用能力感觉——是用某种更深的、他自己也说不清楚的方式。那个晶胞像一粒种子,落进了他意识的土壤里。
他靠在墙上,大口喘气。后背的衣服湿透了,贴在皮肤上,冰凉。太阳突突地跳,恶心感在胃里翻涌,但比第一次从氧化硅网络中抽离硅原子时轻得多。他的身体正在适应这种消耗。窗外,天已经亮了。晨光从窗户空洞照进来,照在硅片衬底上,反射出一小片淡灰色的光泽。他低头看自己的手。手指在微微发抖,不是因为疲劳——是因为他刚刚创造了一样这个世界上从未存在过的东西。
他把硅片小心地收进样品盒,盖上盖子。然后拿出笔记本,在MgB₂记录后面的空白页上写下:
“B₂₄H₄₀。第一晶胞。结构完整,应力在可接受范围内。”
笔迹潦草,手还在抖。他合上笔记本,把样品盒和笔记本一起塞进书包,站起来。膝盖因为坐太久而发僵,他扶着墙站了一会儿,等腿上的血液重新流动。
然后他走出拆迁楼。
晨光照在围挡的铁皮上,反射出刺眼的白光。那只灰黑色的虎斑猫蹲在围挡的缺口处,左耳的缺口在逆光里像一枚黑色的剪影。它看见林哲,没有跑,只是歪着头看了他一眼。林哲从书包里摸出半块压缩饼,掰碎了放在地上。猫低头闻了闻,叼起一块,跳下围挡,消失在废墟里。
他翻过缺口,骑上车。
接下来几天,他每天凌晨都去拆迁楼。不是搭新的晶胞,是让已经搭好的那个晶胞“长大”。
晶体生长是一个自组织过程。只要有了第一颗完美的晶种,周围的原子在合适的条件下会自动按照晶种的模板排列上去。他不需要再一个一个搭原子,只需要把提纯好的硼和氢以正确的比例送到晶种附近,给它们提供适当的能量环境——加热台调到八十度,溶液法幌子里的真实反应条件——剩下的交给物理规律。他的工作是“引导”。当新的硼原子和氢原子靠近晶种表面时,他的感知力会轻轻推它们一下,让它们落在正确的位置上。不是强迫,是引导——像水流引导落叶。原子自己有找到最低能量位置的倾向,他只需要确保它们不会在中途被杂质带偏。
第一天,晶种长大了大约一倍。从最初的二十四硼四十氢,变成了大约五十几个硼原子和对应数量的氢原子。尺寸从两三纳米长到了五六纳米。
第三天,晶种长到了大约十五纳米。在微观视角下,它已经是一个清晰可辨的笼状结构——几百个硼笼整齐排列,通过硼硼键连接成三维网络。每一个笼子内部都填满了紧密堆积的氢原子。整个结构在热振动中有规律地“呼吸”——笼子随着晶格的振动微微扩张和收缩,内部的氢原子随之调整位置,但始终保持高密度堆积。
第五天,晶种长到了将近三十纳米。在光学显微镜下依然几乎不可见,但如果把它放在扫描电子显微镜下,已经可以看到一个模糊的小点了。更重要的是,他发现晶体的生长开始变慢。不是因为原料不够——是因为晶体表面的活性位点逐渐被占满,新的原子找不到容易附着的位置。他需要提高温度,给原子更多的动能,让它们能够迁移到更远的位点。但他不敢。加热台的温度是幌子的一部分,如果调得太高,将来昆仑的人问起来,他的“制备工艺”就会出现矛盾。一个八十度溶液法做出来的样品,晶体尺寸不应该超过几十纳米。如果他做出一块微米级的完美晶体,谁都不会相信那是溶液法做出来的。
他决定停下来。三十纳米。够测了。
第七天晚上,他把样品带回了实验室。
老STM的真空腔打开,他把承载着B₂₄H₄₀晶体的硅片衬底放进去,抽真空。真空泵的嗡鸣声在安静的实验室里格外清晰。窗外是十一月的夜色,梧桐树的枯枝在路灯下投出交错的影子。他在作台前坐下来,没有立刻开始扫描。
他在想一件事。
如果这块晶体真的具有室温超导性——如果他的设计是对的,如果那些被紧密堆积的氢原子的振动频率确实高到足以在室温下媒介库珀对的形成——那么他面前这台老STM的屏幕上,将会出现一条平直的隧道电流曲线。和MgB₂那条在七十七开尔文才出现的凹陷不同,这一次,凹陷会出现在室温下。三百开尔文。
一百多年来全世界所有凝聚态物理学家梦寐以求的圣杯。
他把手放在键盘上。手指稳了。然后他开始扫描。
针尖近样品表面。隧道电流建立。偏压从几十毫伏开始往上扫。屏幕上,微分电导曲线一点一点地描出来。在正常态,曲线是平坦的——金属的电子态密度在费米能级附近是常数。当样品进入超导态,费米能级附近会打开一个能隙,微分电导曲线在零偏压附近会掉下去,形成一个凹陷。凹陷越深,能隙越大。
曲线在零偏压附近,开始往下掉。
不是骤降,是缓慢地、但不可逆转地往下弯曲。像一个被从中间轻轻按下去的枕头。微分电导值从正常态的一点零开始下降——零点九,零点八,零点七,零点六,零点五。降到零点五左右的时候,曲线稳定了。
能隙打开了。在室温下。
林哲靠进椅背里。真空泵在背景里嗡鸣。屏幕上,那条凹陷的曲线安静地停留在零偏压的位置,像一道被刻在石头上的印记。他把扫描范围扩大,换了几个不同的位置,每一个位置都测到了同样的凹陷。不是偶然,不是噪音,不是针尖效应。是整块晶体,在室温下,打开了超导能隙。
他把温度显示调出来看了一眼。二十二点三摄氏度。二百九十五点四开尔文。室温。
他在作台前坐了很久。
后来他把曲线截图存进U盘,关掉STM,把样品从真空腔里取出来,放回样品盒。样品盒很小,和装二硒化钨的那个差不多大。他把两个样品盒并排放在手心里。一块是起点——二硒化钨,十月十七凌晨发出蓝白色光的样品。一块是终点——至少是这一段路的终点——B₂₄H₄₀,室温超导。从起点到终点,三十五天。
他把它们一起放进口袋。
走出实验楼的时候,已经快凌晨一点了。十一月的夜风很冷,从领口灌进来,吹了后背的汗。他站在楼门口的台阶上,抬头看了一眼天空。雾霾遮住了大部分星星,只有最亮的那几颗还隐约可见。和三十五天前那个凌晨一模一样。
他走下台阶,往宿舍的方向走。影子被路灯拉得很长,铺在空无一人的校园道路上。
口袋里装着两块样品。一块是过去,一块是未来。