باحثون يطورون نهجًا حاسوبيًا لمحاكاة تفاعلات الضوء والمادة

قام باحثون في جامعة تسوكوبا باليابان بتطوير نهج حاسوبي جديد لمحاكاة 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 لمحاكاة التفاعلات بين المادة والضوء على المستوى الذري.

أحد الأسباب التي تجعل هذه التفاعلات صعبة المحاكاة 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.

تفترض هاتان الطريقتان أن الحقول الكهرومغناطيسية ضعيفة وهناك فرق في مقياس الطول.

أستاذ كازوهيرو يابانا هو المؤلف الأقدم للدراسة.

“يقدم نهجنا طريقة موحدة ومحسنة لمحاكاة التفاعلات بين المادة والضوء،” يقول يابانا. “نحقق ذلك بحل ثلاث معادلات فيزيائية رئيسية في نفس الوقت: معادلة ماكسويل للمجالات الكهرومغناطيسية، ومعادلة كوهن–شام المعتمدة على الزمن للإلكترونات، ومعادلة نيوتن للأيونات.”

استند الباحثون إلى برنامجهم الخاص SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) لتنفيذ الطريقة. قاموا بتحسين شفرة المحاكاة للحاسوب لتحقيق أقصى أداء قبل اختبار الشفرة بنمذجة 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 شفرتنا عالية الكفاءة، إذ تحقق هدف إنجاز كل خطوة زمنية من الحساب في ثانية واحدة، وهو المطلوب للتطبيقات العملية،” يقول أستاذ يابانا. “تكون الأداء قريبة من أقصى قيمة ممكنة، التي تحددها عرض نطاق الذاكرة الحاسوبية، وتتميز الشفرة بقابلية ممتازة للتوسع الضعيف (weak scalability)، وهي خاصية مرغوبة.”

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