科学家用超级计算机计算解开超导之谜

自20世纪80年代以来，研究人员已经知道了高温超导铜基材料或称铜酸盐。在一定的温度下（约-130摄氏度），这些材料的电阻消失，磁通量被排出。然而，这种超导性的基础仍在争论和探索之中。

来自克莱姆森大学物理学和天文学助理教授Yao Wang说道：“人们普遍认为，传统的超导体是由电子跟声子相互作用产生的，其中声子将两个电子作为一个实体配对，后者可以在材料中运行而没有阻力。”

然而在铜酸盐中，在电子之间发现了被称为库仑力的强大排斥力并被认为是这种特殊的高温超导性的原因。

声子是来自晶体内原子振荡的振动能量。声子的行为和动力学跟电子的行为和动力学非常不同，将这两块相互作用的拼图放在一起一直是一个挑战。

去年11月，Wang和来自斯坦福大学的研究人员在《Physical Review Letters》上一起提出了令人信服的证据--声子实际上有助于在铜酸盐中观察到的一个关键特征，这可能表明它们对超导的贡献是不可或缺的。

该研究创新性地将电子和声子的作用力一并考虑在内。他们表明，声子不仅影响其附近的电子而且还作用于几个相邻的电子。

“这项工作的一个重要发现是，电子-声子耦合在空间的相邻电子之间产生了非局部的吸引力相互作用。当他们只使用局部耦合时，他们计算出的吸引力比实验结果小一个数量级。这告诉我们，长程部分占主导地位，并延伸到四个单元格，”Wang说道。

领导该项目计算方面的Wang使用了美国国家科学基金会(NSF)资助的德克萨斯高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机--世界上最快的学术系统--来复制在斯坦福同步辐射光源进行的模拟实验。

这些结果不仅依赖于Frontera的超高速并行计算能力，且依赖于一种新的数学和算法方法从而使其精确度远远高于以往。

该方法被称为变量非高斯精确对角线化，可以对数十亿个元素进行矩阵乘法。“这是一种混合方法。它通过两种不同的方法处理电子和声子，可以相互调整。这种方法表现良好，能够以高精度描述强耦合，”Wang解释道。该方法的开发还得到了来自美国国家科学基金会的资助。

声子介导的吸引力的证明甚至超出了超导体的范围，这具有重大影响。Wang说道：“实际上，这些结果意味着我们已经找到了一种操纵库仑相互作用的方法。”

“如果超导性只来自库仑力，我们不能轻易操纵这个参数。但如果部分原因来自于声子，那么我们可以做一些事情，如把样品放在一些会改变电子-声子相互作用的衬底上。这给了我们一个设计更好的超导体的方向，”Wang继续说道。

美国家科学基金会材料研究部的项目主任Daryl Hess则表示：“这项研究对杯状超导的奥秘提出了新的见解，其可能会带来更高温度的超导材料和设备。它们可能会在未来的手机和量子计算机中找到自己的方式。一个由人类的创造力、聪明的算法和Frontera开始的旅程。”

正如许多科学领域的情况一样，超级计算机是唯一能够探究量子行为并解释其背后现象的工具。

“在物理学中，我们有非常漂亮的框架来描述一个电子或一个原子，但当我们谈论有1023个原子的真实材料时，我们不知道如何使用这些漂亮的框架，”Wang说道。特别是对于量子或相关材料，物理学家们很难应用“美丽”的理论。因此，Wang他们改用丑陋的理论--材料的数值模拟。他表示，虽然他们暂时还没有完善的量子计算机，但使用经典的高性能计算机可以将问题向前推进很多并最终将指导实验。

眼下，Wang目前正在跟IBM和IonQ合作开发量子算法，从而能在当前和未来的量子计算机上进行测试。

当涉及到未来技术的大发展时，Wang认为计算研究跟实验、观察和理论相结合将有助于解开谜团和实现实际目标。

“一个全新的算法可以带来改变。更多的数字精度可以使情况有所改变。有时我们不理解一个现象的本质是因为我们没有足够仔细地观察细节。只有当你推动模拟并放大到第N位数时，自然界的一些重要方面才会显现出来，”Wang说道。