近日，世界上*快的超級計算機幫助研究人員模擬合成了一種比鉆石或地球上任何其他物質更堅硬、更堅韌的材料。目前這種材料被認為只存在于巨型系外行星或太陽系外行星的內部。
該研究使用了美國能源部橡樹嶺國家實驗室的HPE Cray EX超級計算系統Frontier來預測合成這種材料的*可能策略，這種系統每秒可進行超過1千萬億次計算的百億億次級計算速度，*使這一目標觸手可及。“這是高壓物理學的*挑戰，”南佛羅里達大學物理學教授Ivan Oleynik說。
鉆石是碳原子在高溫高壓下聚集在一起形成的，不僅可以裝飾精美的珠寶，還可以服務于全球*苛刻的工業工作。
如今，科學家推測其他行星上可能存在一種更堅硬的物質——一種名為BC8的超級鉆石，由八個碳原子組成，而鉆石中碳原子的數量為四個。據科研人員研究表明，一顆比地球大兩倍或更大的系外行星核心的極端壓力和溫度可能會創造產生此類材料的必要條件。
在實驗室條件下合成BC8可能為工業應用開辟新的前景——只需要地球大氣壓力的1000萬倍和與太陽表面相同的溫度。
“這些條件甚至都不容易實現，更不用說數百次或數千次來確定哪種方法可能有效，”Oleynik說。“我們知道要預測合成這種物質可能需要什么，我們需要一種高精度的方法來模擬在各種條件下十億原子樣本中碳原子之間的復雜相互作用。傳統的經典原子間或量子模型都無法提供這種規模的細節。”
為了達到這種精度水平，該團隊利用包括BC8在內的各種碳狀態的大量量子力學數據，訓練了一種新穎的機器學習原子間模型。
該團隊的研究人員基本上對十億原子系統中每個原子周圍的每個原子環境進行了指紋識別，這些原子環境可能是系統在極端壓力和溫度下演變過程中產生的。
基于 CPU 的傳統超級計算架構在嘗試運行大規模原子/分子大規模并行模擬器軟件模塊（LAMMPS）時會陷入困境，Oleynik 及其團隊在如此大規模的模擬中使用了該模塊的代碼。Frontier 及其基于 CPU 和 GPU 混合構建的混合架構比*快的基于 CPU 的競爭對手的速度提高了 50 倍。
研究團隊利用 Frontier 上的 LAMMPS 生成了一系列潛在情景，并模擬了可能合成 BC8 的條件。這些條件包括 0 至 20 兆巴的壓力（相當于地球海平面大氣壓的 2000 萬倍）和 0 至 10,000 K 的溫度（幾乎是太陽表面溫度的兩倍）。
該研究捕捉了每種場景中每半飛秒（約千萬億分之一秒）十億原子動態的帶時間戳、原子分辨率快照。
“Frontier 讓我們在一次非凡的努力中實現了近乎量子的精度，”Oleynik 說。“利用 Frontier 這種*的計算能力，我們發現之前的實驗重點放在了錯誤的地方。”
Frontier 讓研究團隊能夠預測鉆石轉變為 BC8 的過程，并大規模觀察這種轉變的原子機制。模擬顯示，鉆石首先熔化；然后 BC8 從熾熱、致密的碳液中形成。
“從這個意義上說，這是一個新發現，因為在大多數情況下，材料通過協調原子結構的重新排列從一種晶相轉變為另一種晶相，”Oleynik說。“但構成鉆石的碳鍵非常堅固，我們必須熔化鉆石才能將其轉化為新的 BC8 晶相。因此，這為這個過程增加了另一層，壓力和溫度更加極端——地球大氣壓力的 1200 萬倍和 5,000 K，接近太陽表面的溫度。我們如何在如此極端的條件下連接所有這些物質狀態并達到預期的結果？”
Oleynik 和他的團隊發現，盡管強烈的壓縮波（即沖擊波）可能會產生高壓和高溫，但這些條件對于 BC8 的合成來說往往不太理想。“我們發現單次沖擊無法實現這一目標，”他說。“所以我們利用模擬設計了一系列沖擊，讓鉆石*達到合成 BC8 所需的溫度和壓力。”
目前，該團隊已開始嘗試在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的國家點火裝置合成 BC8，以測試他們的發現。
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