باحثون يطورون نهجًا حاسوبيًا لتحليل التفاعلات بين المادة والضوء

قام باحثون في جامعة تسوكوبا باليابان بتطوير نهج حاسوبي جديد لتحليل التفاعلات بين المادة والضوء على المستوى الذري. وتستخدم هذه التفاعلات بين المادة والضوء غالبًا لإنشاء تقنيات مثل الليزرات وثنائيات الضوء الباعثة (LEDs) والساعات الذرية. ومع ذلك، فإن النهوج الحاسوبية الحالية لنمذجة هذه التفاعلات غالبًا ما تكون محدودة في الفائدة والقدرة.

نشرت الدراسة الجديدة في المجلة الدولية لتطبيقات الحوسبة عالية الأداء.

طريقة حسابية كفؤة للغاية

توصف الأبحاث طريقة جديدة كفؤة للغاية لتحليل التفاعلات بين المادة والضوء على المستوى الذري.

أحد الأسباب التي تجعل هذه التفاعلات صعبة التحليل هو أن الظواهر المرتبطة بالتفاعلات تشمل العديد من المجالات المختلفة للفيزياء، مثل انتشار موجات الضوء وديناميكيات الإلكترونات والأيونات في المادة. وتتمثل تحديات أخرى في أن الظواهر يمكن أن تغطي نطاقًا واسعًا من المقاييس الزمنية والمكانية.

طريقتان منفصلتان

تتمثل طبيعة المشكلة المتعددة الفيزياء والمتعددة المقاييس في أن التفاعلات بين المادة والضوء عادة ما يتم نمذجتها بوسائل حسابية منفصلة. تكون الأولى من هذه الطرق هي التحليل الكهرومغناطيسي، والتي تشمل الحقول الكهرومغناطيسية للضوء قيد الدراسة. والثانية هي حساب كمي ميكانيكي لخصائص المادة البصرية.

ت假设 هذه الطرق أن الحقول الكهرومغناطيسية ضعيفة وهناك فرق في مقياس الطول.

أستاذ كازوهيرو يابانا هو المؤلف الرئيسي للدراسة.

“يقدم نهجنا طريقة موحدة ومحسنة لتحليل التفاعلات بين المادة والضوء،” يقول يابانا. “نحقق ذلك بتحليل ثلاث معادلات فيزيائية رئيسية في نفس الوقت: معادلة ماكسويل للمجالات الكهرومغناطيسية، ومعادلة كوهن-شام الزمنية للإلكترونات، ومعادلة نيوتن للأيونات.”

استند الباحثون إلى برنامجهم الخاص SALMON (محاكي الضوء والمادة للبصريات والعلوم النانوية) لتنفيذ الطريقة. قاموا بتحسين شفرة المحاكاة للحاسوب لتحقيق أقصى أداء قبل اختبار الشفرة bằng نمذجة التفاعلات بين المادة والضوء في فيلم رقيق من ثنائي أكسيد السيليكون غير المتبلور. يتكون هذا الفيلم الرقيق من أكثر من 10,000 ذرة.

تم إجراء المحاكاة باستخدام ما يقرب من 28,000 عقدة من Fugaku، وهو أسرع حاسوب فائق في العالم الموجود في مركز RIKEN للعلوم الحاسوبية في كوبي، اليابان.

“وجدنا أن كودنا كفؤة للغاية، ويتحقق من هدفنا المتمثل في تحقيق خطوة زمنية واحدة لكل خطوة حسابية مطلوبة للتطبيقات العملية،” يقول أستاذ يابانا. “تكون الأداء قريبة من أقصى قيمة ممكنة، التي تحددها عرض نطاق الذاكرة الحاسوبية، ويتسم الكود بالخصائص المرغوبة للمقاييس الضعيفة الممتازة.”

يمكن استخدام هذا النهج الجديد لاستكشاف ظواهر مختلفة في البصريات النانوية والفوتونات.