两天之后,周五下午。
金陵大学,材料学院,宋胤乾课题组。
非平衡薄膜生长实验室。
整个实验室并不大,与安静的物理实验室不同,这里更像一个繁忙的金属加工车间。
几台半人高的磁控溅射仪占据了房间的大部分空间,不锈钢的真空腔体外壁贴着各种手写的参数标签,连接着复杂的冷却水管和高压气路。
空气中弥漫着真空泵油和冷却液混合的独特气味。
背景音是真空泵低沉的“嗡嗡”声和高频电源工作时细微的“滋滋”声。
右手边则是表征区,一台老旧的四圆X射线衍射仪立在那里,旁边是一台探针台,连接着吉时利(Keithley)的源表,桌上散落着各种尺寸的硅片和杜邦线。
高翔正戴着一副厚厚的防蓝光眼镜,全神贯注地盯着溅射仪的控制电脑,屏幕上,靶材功率和真空度的曲线在缓慢地波动。
“来了?”
他头也没回,指了指旁边的一张椅子,“不好意思,稍等我五分钟,这炉样品刚开始长,我得盯着初始成核阶段。”
林允宁也不客气,拉过椅子坐下,打量着周围的仪器。
五分钟后,高翔设定好程序,这才摘下眼镜,揉了揉布满血丝的眼睛,脸上是掩饰不住的疲惫与兴奋:
“听说你把Aether_XRD模块做出来了,这么快?”
“其实还可以更快的,不过前两天都在帮一个师兄解决一个赶时间的任务,耽搁了一下。”
林允宁说着,从背包里拿出那台IBMX40,开机。
“没事,我理解。”
高翔推了推金丝眼镜,递过来一瓶冰红茶,“而且,集训队那么大压力,你还抽空帮我,我该谢你才对。”
林允宁打开一个独立的Aether_XRD_v1.0.exe程序,界面简洁,只有“导入数据”、“设定先验”、“开始分析”三个按钮。
“我把咱们那天在食堂讨论的‘四步法”都封装进去了,”
他一边操作,一边给高翔讲解,“......你看,基线扣除模块我集成了两种算法,一种是自适应迭代多项式拟合,处理平滑背景比较好;另一种是切比雪夫滤波器,专门用来对付有非对称荧光背底的‘脏数据”。
“一般的样品,用第一种就够了。”
高翔推了推眼镜,看着软件界面上那一排排清晰的选项和实时预览窗口,感叹道:
“这工具......太直观了。”
他按照林允宁的指导,从开源社区下载部署了Aether和XRD模块,然后将一份最典型的,包含了十几个重叠峰的原始XRD数据导入程序。
“先别急着拟合,”
林允宁制止了他,“点开‘先验设定”,把你那份硅粉的内参标定数据加载进去,先让算法知道你这台仪器自己的脾气,也就是它的仪器响应函数。”
高翔依言操作,然后在“物相数据库”一栏,勾选了几个根据样品成分可能存在的晶相。
“好了,现在可以点‘开始采样了。”
高翔深吸一口气,按下了鼠标,台式机电脑的风扇开始发出强烈的嗡鸣。
屏幕上,MCMC的采样链在参数空间中快速探索,进度条稳步推进,残差值在迅速下降。
趁着这个机会,林允宁打开自己的笔记本电脑,发现有一封邮件,发件人地址后缀是“@phys.ethz.ch”。
是苏黎世联邦理工的里希特教授。
他点开邮件,快速浏览了一遍。
尊敬的林先生:
非常感谢您清晰而深刻的回复。您提出的解决方案,尤其是关于用模拟数据进行交叉校准以验证先验选择合理性的思路,令人印象深刻。
您不仅在邮件中回答了我的疑问,更重要的是,您已经将它变成了现实。
新版的Aether 1.0功能很强,我们实验室在处理一组关于量子临界点附近的光谱数据时,使用它成功地从强背景噪声中,提取出了一个我们之前忽略了的微弱准粒子峰。
我相信,这只是一个开始,您的这项工作,为整个凝聚态物理领域,提供了一个极其宝贵的工具。
我代表我的课题组,向您表示诚挚的感谢。
P.S.,我将于下月初前往金陵大学,参加一个关于拓扑材料的国际研讨会。不知届时是否有幸,能与您当面交流?
祝好,
克劳斯?冯?里希特
林允宁看着邮件,满意地笑了笑。
能得到这位学界权威如此高的评价,甚至主动在自己的研究中应用Aether,这比发一篇PRL更有成就感。
他顺手回了一封邮件:【没问题,非常乐意与您见面。】
另外一边,不到五分钟,高翔的工作站上,一张清晰的结果图弹了出来。
图上,原本重叠得一塌糊涂的原始衍射数据,被完美地分解成了四个独立的物相贡献。
每一个峰的强度、位置、宽度都给出了精确的置信区间。
最下方,那张在零点附近随机分布的残差图,宣告着拟合的成功。
高翔下意识地从椅子上站了起来,后退了半步,盯着屏幕,嘴巴微微张开,喃喃自语:
“......我没看错吧.....这是真的?不可能吧!”
他为了这组数据,熬了快两个月,试了七八种不同的商业软件和拟合模型,得到的结果要么不收敛,要么残差巨大。
而现在,前后不过十分钟,问题......就这么解决了?
“怎么样,结果和你预想的一致吗?”
“何止是一致,”
高翔激动得脸都有些涨红,他指着其中一个被识别出的微弱信号,“这个BCC(体心立方)相的固溶体,我之前一直怀疑它的存在,但信号太弱,总是被主峰淹没,根本没法确认。
“你的算法......直接把它从噪声里给分离出来了!”
他猛地一拍大腿,兴奋地站起身在实验室里来回踱步,嘴里不停念叨着:
“有了这个,我那篇文章的数据部分就完整了!可以试试投Advanced Materials了。太牛了,林师弟,你这简直是给我雪中送炭啊!
“不行,我得跟宋老师说,这篇文章,你得是第二作者。’
林允宁笑了笑:
“哦,行啊,你看着办。”
其实以他现在的文章数,博士毕业都够了,倒是不差这一篇。
但涉及到系统的模拟时长奖励,不要白不要。
高翔深吸一口气,努力从兴奋中冷静下来,他看着林允宁,有些不好意思地搓了搓手:
“那个......林师弟,XRD这个解决了,咱们那个‘三色灯”的项目……………”
“不急,算法我大概有一个构思了,先带我看看样品,熟悉一下细节吧。”
“对,你跟我来。”
高翔点点头,给了林允宁无尘服和鞋套,领着他来到另一间实验室,指着一台超高真空多靶材磁控溅射仪旁的一个样品盒说道:
“样品我前几天就已经开始重新制备了,但......"
他打开盒子,里面是几十片闪烁着金属光泽的硅片,但不少样品的表面都有些发乌,甚至出现了肉眼可见的龟裂。
“你看,这批是CoCrFeNi的高合金,在Ar气气氛下溅射的,成分梯度控制得还不错。但成膜质量很不稳定,电学性能的测量结果离散度非常大。我怀疑是薄膜内部的残余应力太大了。”
他指着旁边一台小型的退火炉:
“我准备做几组不同温度的真空退火,看看能不能改善一下结晶质量。不过,退火参数的选择很困难,很依赖经验和运气。
“上次有个师兄为了优化参数,在炉子边住了半个月,头发都快掉光了。”
林允宁拿起一片样品,对着灯光看了看,又看了看旁边记录本上乱成一团的电阻率数据,脑中那套三层架构的方案变得更加清晰。
“高师兄,别急着退火。”
他放下样品,“把你这批所有样品的XRD原始数据和电学数据,连同溅射时候的工艺参数(功率、气压、时间),都打包发给我。
“我先用这批‘不完美”的数据,训练一下‘三色灯”判别器。也许,它能帮你从这堆数据里,直接找到最优的工艺窗口。”
“这……………这都行?”
高翔一脸的难以置信。
“试试看呗,”
林允宁笑了笑,“反正数据都是现成的,就当给Aether做个更大规模的压力测试了。”
当晚,林允宁回到集训队宿舍时,已经是深夜十一点。
许嘉诚和周衍都还没睡,正凑在一起,激烈地讨论着一道关于朗道规范下量子霍尔效应的题。
杜德彪则躺在床上,用他那台二手MP4看着下载好的《武林外传》,时不时发出一阵傻笑。
林允宁没有立刻休息。
他坐在桌前,打开笔记本电脑,从韩至渊课题组的“废弃数据库”里,调出了一份关于硅/锗(Si/Ge)异质结界面的低温微区拉曼光谱数据。
这是一组在液氮温度下,用极细的激光光斑,逐点扫描过和锗两种不同半导体材料界面的光谱数据。
数据质量极差,不仅信噪比低,而且由于两种材料声子峰的强烈重叠和界面处的复杂应力,导致线型严重不对称。
之前的研究者,显然是被这组数据折磨得不轻,文件夹里留下了密密麻麻的各种实验和表征数据,唯独拉曼光谱这里,只有几张失败的拟合尝试,便没了下文。
这是他用来给Aether v1.0做压力测试的最后一份“脏数据”。
林允宁将数据导入了程序。
他设定好物理先验??两个洛伦兹峰,分别代表硅和锗的声子模式。
然后,点击了“运行”。
半个小时后,当林允宁洗漱完毕回来,发现屏幕上弹出了“Convergence reached”的提示。
算法,竟然收敛了。
他立刻点开了结果图。
Aether不负众望,在强噪声中提取出了清晰的声子谱函数。
屏幕上展现出了清晰的曲线,两个重叠的声子峰被完美地分离开来,每一个峰的强度、位置、宽度都给出了精确的后验概率分布。
“不错。”
林允宁满意地点了点头,正准备将结果保存下来,目光却在扫过谱函数参数列表时,猛地一顿。
他的笑容,瞬间凝固了。
他盯着屏幕,反复确认着那个数字,脸上的满意表情很快变成了深深的困惑。
反演出的声子自能(Self-Energy),在界面两侧,呈现出了一种物理上不应该存在的“不对称性”。
这违反了空间反演对称性!
结果图很干净,但它所揭示的物理图像,却不符合现有逻辑。
到底是哪里出了问题?
是Aether有个未被发现的bug?
还是......数据本身被某种未知原因污染了?
林允宁靠在椅背上,百思不得其解。