自20世紀80年代以來，研究人員已經知道了高溫超導銅基材料或稱銅酸鹽。在一定的溫度下（約-130攝氏度），這些材料的電阻消失，磁通量被排出。然而，這種超導性的基礎仍在爭論和探索之中。
來自克萊姆森大學物理學和天文學助理教授Yao Wang說道：“人們普遍認為，傳統的超導體是由電子跟聲子相互作用產生的，其中聲子將兩個電子作為一個實體配對，後者可以在材料中運行而沒有阻力。”
然而在銅酸鹽中，在電子之間發現了被稱為庫侖力的強大排斥力並被認為是這種特殊的高溫超導性的原因。
聲子是來自晶體內原子振蕩的振動能量。聲子的行為和動力學跟電子的行為和動力學非常不同，將這兩塊相互作用的拼圖放在一起一直是一個挑戰。
去年11月，Wang和來自斯坦福大學的研究人員在《Physical Review Letters》上一起提出了令人信服的證據–聲子實際上有助於在銅酸鹽中觀察到的一個關鍵特徵，這可能表明它們對超導的貢獻是不可或缺的。
該研究創新性地將電子和聲子的作用力一併考慮在內。他們表明，聲子不僅影響其附近的電子而且還作用於幾個相鄰的電子。
“這項工作的一個重要發現是，電子-聲子耦合在空間的相鄰電子之間產生了非局部的吸引力相互作用。當他們只使用局部耦合時，他們計算出的吸引力比實驗結果小一個數量級。這告訴我們，長程部分佔主導地位，並延伸到四個單元格，”Wang說道。
領導該項目計算方面的Wang使用了美國國家科學基金會(NSF)資助的德克薩斯高級計算中心(TACC)的Frontera超級計算機–世界上最快的學術系統–來複制在斯坦福同步輻射光源進行的模擬實驗。
這些結果不僅依賴於Frontera的超高速并行計算能力，且依賴於一種新的數學和算法方法從而使其精確度遠遠高於以往。
該方法被稱為變量非高斯精確對角線化，可以對數十億個元素進行矩陣乘法。“這是一種混合方法。它通過兩種不同的方法處理電子和聲子，可以相互調整。這種方法表現良好，能夠以高精度描述強耦合，”Wang解釋道。該方法的開發還得到了來自美國國家科學基金會的資助。
聲子介導的吸引力的證明甚至超出了超導體的範圍，這具有重大影響。Wang說道：“實際上，這些結果意味着我們已經找到了一種操縱庫侖相互作用的方法。”
“如果超導性只來自庫侖力，我們不能輕易操縱這個參數。但如果部分原因來自於聲子，那麼我們可以做一些事情，如把樣品放在一些會改變電子-聲子相互作用的襯底上。這給了我們一個設計更好的超導體的方向，”Wang繼續說道。
美國家科學基金會材料研究部的項目主任Daryl Hess則表示：“這項研究對杯狀超導的奧秘提出了新的見解，其可能會帶來更高溫度的超導材料和設備。它們可能會在未來的手機和量子計算機中找到自己的方式。一個由人類的創造力、聰明的算法和Frontera開始的旅程。”
正如許多科學領域的情況一樣，超級計算機是唯一能夠探究量子行為並解釋其背後現象的工具。
“在物理學中，我們有非常漂亮的框架來描述一個電子或一個原子，但當我們談論有1023個原子的真實材料時，我們不知道如何使用這些漂亮的框架，”Wang說道。特別是對於量子或相關材料，物理學家們很難應用“美麗”的理論。因此，Wang他們改用醜陋的理論–材料的數值模擬。他表示，雖然他們暫時還沒有完善的量子計算機，但使用經典的高性能計算機可以將問題向前推進很多並最終將指導實驗。
眼下，Wang目前正在跟IBM和IonQ合作開發量子算法，從而能在當前和未來的量子計算機上進行測試。
當涉及到未來技術的大發展時，Wang認為計算研究跟實驗、觀察和理論相結合將有助於解開謎團和實現實際目標。
“一個全新的算法可以帶來改變。更多的數字精度可以使情況有所改變。有時我們不理解一個現象的本質是因為我們沒有足夠仔細地觀察細節。只有當你推動模擬並放大到第N位數時，自然界的一些重要方面才會顯現出來，”Wang說道。