研究人員利用超級計算機深入探究高溫超導體

　　硒化鐵無論在何種程度的壓力下都是一種高溫超導體。美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究員正在使用Mira（一種超級計算機）來研究硒化鐵的磁狀態，以期更好理解高溫超導機理。

　　美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(UIUC)的研究員正在ALCF(一個美國能源部科學用戶設備的辦公室)使用超級計算機，來探究高溫超導體的神秘特性。

　　其臨界溫度范圍是從30K到130K（即華氏溫度-405°C到-225°C），因此這只是名義上相對比較新的一類高溫超導體。在1986年發現它們之前，普遍認為超導性（材料傳輸電流時沒有電阻）僅僅發生在低于30K的溫度下。

　　這一類高溫超導體的發現引發了無數的后續研究工作以及幾種其他高溫超導體的相繼問世，但是關于高溫超導體其特殊性質的起源仍然難以解釋。

　　“對這種可以在更高溫度仍然具有超導現象的新材料，在其理論方面目前還沒有達成共識。”UIUC的首席研究員和研究助理教授Lucas Wagner講到，“因此我們在ALCF工作的目的就是對這些理論深入探究。”

　　為了進一步理解高溫超導的機理，科學家們準備開發新的材料并改善其工藝技術，從中得到啟發。

　　超導體在當今科技中的應用通常在常溫或者低溫下，諸如核磁共振成像設備(MRI)和粒子加速器，但是它們的實際應用范圍還是非常有限的，因為這些材料需要昂貴的冷卻系統，工作條件要求很高，并且電性質不夠理想。

　　Wagner說到：“高溫超導可以改善以上不足之處并且存在其他潛在的應用，例如能夠使輸電線路和電動馬達等更加靈活可行。

　　在ALCF，Wagner和他的團隊正在使用Mira（一個具備了10千兆次計算能力的IBM超級計算機）去模擬硒化鐵的磁性（無論在何種程度的壓力下，硒化鐵都是一種高溫超導體）。通過實驗發現，當施加特定壓力，處于高溫下，硒化鐵會成為超導體。基于這項實驗工作結果，他們的計算模擬研究得以啟發。

　　UIUC研究員們在Mira上運行QWalk代碼并使用量子蒙特卡羅算法(QMC)對硒化鐵的電子結構進行模擬，該模擬達到史無前例的精細水平。迄今為止，該團隊的結果有助于更好地理解材料的磁性以及磁性隨壓力改變的原因，進而為高溫超導體本質是有磁性的這一觀點提供證據。

　　 “簡而言之，電子的性能取決于擴散、遠離相鄰電子和接近原子核三種趨勢的平衡，”Wagner說，“在硒化鐵中，我們確認這種平衡使其表現出特殊的磁性，該平衡會隨壓力改變而改變。”

　　如果沒有像Mira這樣大規模并行超級計算機，UIUC團隊對硒化鐵的精確模擬是完全行不通的。因為超導材料是強關聯體系，這預示著他們的行為依賴于電子間的關聯計算。傳統的算法，比如密度泛函理論，將電子的關聯平均處理，也就無法精確地研究這類材料。

　　然而，隨著高性能超級計算機的應用，QMC方法（對計算機有較高要求）逐漸成為精確模擬電子間相互作用的有效工具，為要求材料性能的現實預測等這一類的創新計算研究提供了可能。

　　作為QWalk開源代碼的重要開發者，Wagner處于QMC研究的前沿。為了發展他在ALCF的研究，他繼續與設備性能工程師們合作來提高在Mira上QWalk代碼的性能。目前為止，他們已經將代碼運行速度提高了20%。

　　“我們發現在作為代碼一部分的內存密集型計算花費了過多時間。”Vitali Morozov——ALFC首席設備性能工程師如是說，“優化類似操作的數據結構緩解了內存帶寬的壓力。”

　　Wagner借助美國能源部的INCITE計劃在ALCF獲得研究機會。2015年，他再一次得到INCITE撥款以繼續在高溫超導領域的研究。

　　Wagner團隊希望借助這筆資金來弄明白高溫超導和非超導材料的區別（后者會表現與前者類似的性能）。他們也將使用Mira來預測新材料的潛在屬性，最終結果將納入隸屬于美國能源部的超導中心。該中心由布魯克海文國家實驗室創辦，致力于制造已預測的材料。

　　“說心里話，我們希望這項工作將會發現新型超導體。”Wagner如是說，“此外，我們提出的觀點和方法也適用于從催化作用到太陽能光伏的其他臨界應用。