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超級電腦助力超導體研究

上網時間: 2014年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:超導體  Titan  超級電腦  材料  自旋動力學 

時至今日,尋找新超導體的任務一直是融合著長久累積的專業知識、直覺以及一點點的好運氣。美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)日前聯手羅格斯大學(Rutgers University),利用ORNL的 Titan 超級電腦(全世界第二快速的超級電腦),共同致力於超導體偵測演算法,期望將 Titan 超級電腦變成可評估新材料配方的大型虛擬測試管,克服可能導致困擾的製造問題。

「預測重要的材料特性是否可作為材料化學功能的能力至關重要,」ORNL國家運算科學中心主任Jack Wells表示,「這種預測材料趨勢的能力可望促成一些新的預測,讓實驗人員能夠持續進行追蹤。」

15種鐵基材料中自旋激發的模擬強度
圖中顯示15種鐵基材料中自旋激發的模擬強度,這些材料包括已知的高溫超導體(影像d-影像h)。x軸顯示自旋激發動能,而y軸顯示在電子伏特(eV)所測得的能量。色碼顯示自旋激發強度,並與取得的實驗數據(影像f、g、l與m顯示的黑點部份)進行比較。擁有最多自旋激發數目的位置以紅色表示,從橙色到藍色則表示頻率遞減,讓研究員預測哪一種材料可能具有超導特性。
(來源:ORNL)

自從古代煉金術士以來,反覆試驗一直是科學方法的重要元素,但羅格斯大學的研究人員們,包括教授Kristjan Haule與Gabriel Kotliar,以及博士後研究人員Zhiping Yin都認為,目前應該是採取更明智作法的時候了。

第一步是評估已知超導體的自旋動力學,以便找到研究人員認為可設定讓金屬無阻力傳導電流的條件相似性。藉由確認在超導材料中的電子定向方式及其自旋關聯性,研究人員們能夠在製造與測試之前先注意這些設計材料中的相同特性。

Kotliar的研究小組挑選了15種材料,其中有4種是超導體。藉由比較超級電腦中的模擬圖以及已知超導體測得的預測自旋動力學,研究人員能夠找出二者的共同特性,使電子得以在無阻力的情況下傳導電流。

「在廣泛的鐵氮族化合物和硫族化合物系列中,我們不僅驗證了現有實驗資料的途徑,」Kotliar說,「而且,還對尚未實驗過的 MgFe2 等材料進行預測。」

實驗人員使用的策略是從理論上預測中子散射測量,這可用於許多不同類型的化合物,如鈽基化合物,根據Kotliar表示,這種材料與鐵化合物材料大不相同。

Kotliar的研究小組將先計算那些已進行測試的化合物特性。這讓他們可在運算機制中調整一些旋鈕;然後再用旋鈕進行調節,預測中子散射光譜。接著,研究人員們將進行實驗驗證,或者鼓勵其他科學家進一步探索,以便增加其計算機制的確度。

Kotliar強調,「電子材料相關領域的預測理論仍處於起步階段,我希望能持續看到理論計算與實驗的回饋。」

研究小組利用「動態平均場理論」(Dynamical Mean Field Theory)來減少大量的互動次數,並採用「蒙特卡羅方法」(Monte Carlo)來統計選擇最佳解決方案。即使採用了這些方法,研究小組還必須在 27 petaFLOP Titan 超級電腦上進行2,000萬個處理小時的時間,才得以證實這個概念。

接下來,研究人員打算最佳化其研究技術,包括演算法;找到可讓人類和超級電腦協同合作尋找有趣材料的方法;以及研究一些難以透過實驗研究的材料,例如放射性物質。

該研究是由美國國家科學基金會(NSF)、ORNL以及美國能源部(DoE)位於ORNL的科學用戶設施辦公室等單位提供贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Superconductivity Predicted by Supercomputer,by R. Colin Johnson)





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