近日，国内科研团队依托国产超算集群，在自旋 – 轨道耦合（旋轨耦合，SOC）高精度并行计算方法领域实现重大突破，攻克强关联、重元素体系相对论效应精准模拟长期存在的算力与精度双重难题，相关成果发表于国际物理化学权威期刊《The Journal of Physical Chemistry Letters》，并入选 “物理化学前沿青年学者” 专题论文。
一、研究背景：旋轨耦合计算是前沿领域核心卡点
旋轨耦合是电子自旋与轨道运动产生的相对论磁相互作用，是拓扑量子材料、自旋电子器件、重元素催化、分子光谱、量子比特等领域的底层核心物理效应。对于含铂、铋、稀土、锕系等重元素体系，旋轨耦合会引发能带劈裂、磁各向异性、自旋霍尔效应等关键特性，若计算中忽略或近似处理，将导致理论预测与实验数据严重偏离。
传统计算方案存在两大核心痛点：一是多参考高精度组态耦合计算内存开销随体系规模指数增长，单节点算力无法支撑大尺寸分子、二维磁性材料、团簇体系模拟；二是旋轨耦合哈密顿对角化、多电子态耦合求解并行度低，异构超算 CPU/GPU 资源难以充分调度，计算周期动辄数十天，极大限制新材料研发效率。
二、核心创新：自研并行算法 + 超算深度适配
针对上述瓶颈，研究团队融合密度矩阵重正化群（DMRG）、外收缩多参考组态相互作用（ecMRCI）与旋轨耦合求解框架，搭建DMRG2sCI-ecMR-SOC 一体化高精度计算流程，同时提出两套原创优化策略：
- 物理启发核函数优化（PIKO） 基于电子轨道局域化特征重构旋轨耦合积分计算内核，剔除无效矩阵元运算，将单步哈密顿构建耗时降低 60% 以上，大幅削减存储占用，解决大体系内存溢出问题。
- 分层异构并行调度策略（PIPO） 面向国产超算 CPU-GPU 异构集群设计多级并行划分方案，实现轨道积分、关联修正、自旋态对角化多模块异步协同计算，充分释放超算多核、多卡算力，线性并行效率突破 92%。
整套算法依托国产 “东方”“元” 高性能计算集群完成规模化验证。对标传统 DFT、普通 MRCI-SOC 计算方法，新方案对稀土磁性材料、重金属催化分子、拓扑半金属体系的能级、光谱、磁矩计算结果与实验测量高度吻合，定量精度实现量级提升；同等计算精度下，百原子级重元素体系模拟耗时缩短 70%，中小分子体系提速超 5 倍。
三、应用价值：赋能多领域前沿创新
本次突破打通了高精度旋轨耦合模拟的算力壁垒，具备广阔工程与基础研究价值：
- 自旋电子器件研发：可快速精准预测二维拓扑绝缘体、磁性薄膜自旋输运特性，支撑低功耗自旋存储、自旋晶体管材料筛选；
- 催化与能源材料：解析贵金属、稀土单原子催化剂电子自旋调控机制，指导高效电解水、CO₂还原催化剂设计；
- 量子信息科学：精确刻画量子点、分子量子比特旋轨耦合相干演化规律，为高保真量子器件仿真提供理论工具；
- 锕系、放射化学基础研究：实现放射性重元素分子、团簇电子结构可靠模拟，支撑核材料、放射环境化学理论研究。
四、项目支撑与团队展望
该研究工作由计算物理、量子化学、高性能计算交叉团队联合攻关，先后获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项等项目资助。
团队负责人表示，下一步将持续完善算法开源软件包，拓展机器学习预筛选轨道基组功能，并深度适配新一代国产百亿亿次超算，面向材料基因组、高通量材料仿真打造标准化旋轨耦合计算模块，为我国量子材料、先进催化、自旋信息产业自主研发提供自主可控的高精度计算工具链。
