从 MRI 机器到粒子加速器和磁悬浮列车，超导体已经彻底改变了现代技术——它们有潜力做更多的事情。

宾厄姆顿大学物理学副教授 Elena Roxana Margine解释说：“超导材料的主要特性是，当冷却到特定材料相关的临界温度以下时，它可以无电阻地导电。 ”

然而，这种惊人的品质是有代价的：最常用的铌基超导体在极低的温度下运行——大约 10 开氏度，相当于 –442 华氏度或 –263 摄氏度。

在过去的 50 年中，科学家们一直在寻找可以在更高临界温度下工作的超导体——理想情况下是室温，尽管 100 开氏度(–173 摄氏度或 –279 华氏度)对于广泛的应用来说是可以接受的。不幸的是，已经发现的高温超导体很难制造。例如，基于氧化铜的超导体是陶瓷化合物，它们很脆且难以制造成导线，而基于氢的超导体只能在极高的压力下合成——事实上，它是如此之高，以至于它类似于发现的压力接近地球的核心。

Margine 在计算物理学方面的工作可能会导致该领域的突破。去年夏天，她获得了三项国家科学基金会 (NSF) 的资助，以帮助开展这项工作。

NSF 高级网络基础设施办公室提供的 386 万美元赠款将帮助开发一个全面的软件生态系统，通过使用多体电子结构方法对材料的高级功能特性进行建模和预测。Margine 是该赠款的几位联合首席研究员 (PI) 之一，该赠款由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Feliciano Giustino 领导;宾厄姆顿的赠款部分为 838,500 美元。

Margine 解释说，该项目的目标是扩展和结合由该资助的 PI 开发的三个软件包的互补优势以及主要密度泛函理论代码的内置兼容性层。反过来，这种网络基础设施将使科学家能够对支持下一代能源、计算和量子技术材料开发的特性进行系统和预测性计算。

Margine 是 NSF 材料研究部 400,000 美元持续资助的唯一首席研究员，这将使她能够实施新的超导材料建模能力。

材料研究部的另一笔 226,947 美元赠款将帮助寻找可以在更高临界温度下运行的超导材料。该团队由 Margine 和物理学副教授 Alexey Kolmogorov领导，将使用先进的建模方法和计算工具探索硼、碳和各种金属的有希望的组合。Kolmogorov 将结合进化算法和机器学习方法来识别可合成的化合物，而 Margine 将研究具有高温超导潜力的最合适的候选材料。然而，这并不像打开笔记本电脑那么简单。

超导是一个复杂的过程，由材料中电子和原子振动之间的相互作用决定。对这种交互进行准确建模不仅需要复杂的计算机代码和计算，还需要强大的处理能力。

“为了进行这样的计算，你需要超级计算机，”Margine 说。

在过去的几年里，Margine 在圣地亚哥超级计算机中心使用了 Expanse 集群;今年，她还获得了在德克萨斯高级计算中心使用 Frontera 超级计算机的资源。

这些赠款还支持本科生和研究生的培训，以及计算材料科学和高性能计算方面的博士后研究人员。Margine 说，这些赠款还将通过为代码用户组织年度学校来促进更加多样化和包容性的 STEM 劳动力的发展。今年六月将在德克萨斯大学奥斯汀分校举办一场这样的培训课程。

通过计算建模，研究人员或许能够预测哪些材料会成为超导体，尤其是那些可以在更高临界温度下运行的材料。了解它们在原子水平上的工作方式有朝一日可能会导致能源存储、医学、电子、运输甚至量子计算方面的创新。

“我们正在努力开发具有改进预测能力的方法，这将为新超导体的合理设计铺平道路，”Margine 说。