研究人员利用超级计算机深入探究高温超导体
硒化铁无论在何种程度的压力下都是一种高温超导体。美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究员正在使用Mira（一种超级计算机）来研究硒化铁的磁状态，以期更好理解高温超导机理。
美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(UIUC)的研究员正在ALCF(一个美国能源部科学用户设备的办公室)使用超级计算机，来探究高温超导体的神秘特性。
其临界温度范围是从30K到130K（即华氏温度-405°C到-225°C），因此这只是名义上相对比较新的一类高温超导体。在1986年发现它们之前，普遍认为超导性（材料传输电流时没有电阻）仅仅发生在低于30K的温度下。
这一类高温超导体的发现引发了无数的后续研究工作以及几种其他高温超导体的相继问世，但是关于高温超导体其特殊性质的起源仍然难以解释。
“对这种可以在更高温度仍然具有超导现象的新材料，在其理论方面目前还没有达成共识。”UIUC的首席研究员和研究助理教授Lucas Wagner讲到，“因此我们在ALCF工作的目的就是对这些理论深入探究。”
为了进一步理解高温超导的机理，科学家们准备开发新的材料并改善其工艺技术，从中得到启发。
超导体在当今科技中的应用通常在常温或者低温下，诸如核磁共振成像设备(MRI)和粒子加速器，但是它们的实际应用范围还是非常有限的，因为这些材料需要昂贵的冷却系统，工作条件要求很高，并且电性质不够理想。
Wagner说到：“高温超导可以改善以上不足之处并且存在其他潜在的应用，例如能够使输电线路和电动马达等更加灵活可行。
在ALCF，Wagner和他的团队正在使用Mira（一个具备了10千兆次计算能力的IBM超级计算机）去模拟硒化铁的磁性（无论在何种程度的压力下，硒化铁都是一种高温超导体）。通过实验发现，当施加特定压力，处于高温下， 硒化铁会成为超导体。基于这项实验工作结果，他们的计算模拟研究得以启发。
UIUC研究员们在Mira上运行QWalk代码并使用量子蒙特卡罗算法(QMC)对硒化铁的电子结构进行模拟，该模拟达到史无前例的精细水平。迄今为止，该团队的结果有助于更好地理解材料的磁性以及磁性随压力改变的原因，进而为高温超导体本质是有磁性的这一观点提供证据。
“简而言之，电子的性能取决于扩散、远离相邻电子和接近原子核三种趋势的平衡，”Wagner说，“在硒化铁中，我们确认这种平衡使其表现出特殊的磁性，该平衡会随压力改变而改变。”
如果没有像Mira这样大规模并行超级计算机，UIUC团队对硒化铁的精确模拟是完全行不通的。因为超导材料是强关联体系，这预示着他们的行为依赖于电子间的关联计算。传统的算法，比如密度泛函理论，将电子的关联平均处理，也就无法精确地研究这类材料。
然而，随着高性能超级计算机的应用，QMC方法（对计算机有较高要求）逐渐成为精确模拟电子间相互作用的有效工具，为要求材料性能的现实预测等这一类的创新计算研究提供了可能。
作为QWalk开源代码的重要开发者，Wagner处于QMC研究的前沿。为了发展他在ALCF的研究，他继续与设备性能工程师们合作来提高在Mira上QWalk代码的性能。目前为止，他们已经将代码运行速度提高了20%。
“我们发现在作为代码一部分的内存密集型计算花费了过多时间。”Vitali Morozov——ALFC首席设备性能工程师如是说，“优化类似操作的数据结构缓解了内存带宽的压力。”
Wagner借助美国能源部的INCITE计划在ALCF获得研究机会。2015年，他再一次得到INCITE拨款以继续在高温超导领域的研究。
Wagner团队希望借助这笔资金来弄明白高温超导和非超导材料的区别（后者会表现与前者类似的性能）。他们也将使用Mira来预测新材料的潜在属性，最终结果将纳入隶属于美国能源部的超导中心。该中心由布鲁克海文国家实验室创办，致力于制造已预测的材料。
“说心里话，我们希望这项工作将会发现新型超导体。”Wagner如是说，“此外，我们提出的观点和方法也适用于从催化作用到太阳能光伏的其他临界应用。
-
焦点事件
-
科技前沿
-
项目成果
-
项目成果
-
项目成果
