Výzkumníci vyvinuli výpočetní přístup pro simulaci interakcí mezi světlem a hmotou

Výzkumníci z Univerzity v Tsukubě v Japonsku vyvinuli nový výpočetní přístup pro simulaci interakcí mezi hmotou a světlem na atomární úrovni. Tyto interakce mezi světlem a hmotou se často používají k vytváření technologií, jako jsou lasery, světelně emitující diody (LED) a atomové hodiny. Existující výpočetní přístupy pro modelování těchto interakcí jsou však často omezené ve své užitečnosti a schopnostech.

Nová studie byla zveřejněna v Mezinárodním časopise o aplikacích vysokovýkonného počítačového zpracování.

Velmi efektivní výpočetní metoda

Výzkum popisuje novou velmi efektivní metodu pro simulaci interakcí mezi světlem a hmotou na atomární úrovni.

Jedním z důvodů, proč jsou tyto interakce tak obtížné simulovat, je to, že jevy spojené s těmito interakcemi zahrnují mnoho různých oblastí fyziky, jako je šíření světelných vln a dynamika elektronů a iontů v hmotě. Další výzvou je, že tyto jevy mohou pokrývat široký rozsah délek a časových škál.

Dvě samostatné metody

Multiphysikální a multiscale povaha problému znamená, že interakce mezi světlem a hmotou se obvykle modelují pomocí dvou samostatných výpočetních metod. První z těchto metod se nazývá elektromagnetická analýza a zahrnuje elektromagnetická pole světla, které se studuje. Druhá je kvantově-mechanický výpočet optických vlastností hmoty.

Tyto dvě metody předpokládají, že elektromagnetická pole jsou slabá a existuje rozdíl v délkové škále.

Profesor Kazuhiro Yabana je hlavním autorem studie.

“Náš přístup poskytuje ujednocený a vylepšený způsob, jak simulovat interakce mezi světlem a hmotou,” říká Yabana. “Dosahujeme toho tím, že současně řešíme tři klíčové fyzikální rovnice: Maxwellovu rovnici pro elektromagnetická pole, časově závislou Kohn-Shamovu rovnici pro elektrony a Newtonovu rovnici pro ionty.”

Výzkumníci využili svůj interní software SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) k implementaci metody. Optimalizovali simulační počítačový kód, aby maximalizovali jeho výkon, a poté otestovali kód modelováním interakcí mezi světlem a hmotou v tenké vrstvě amorfního oxidu křemíku. Tato tenká vrstva amorfního oxidu křemíku se skládá z více než 10 000 atomů.

Simulace byla provedena pomocí téměř 28 000 uzlů Fugaku, což je nejrychlejší superpočítač na světě, umístěný v RIKEN Centru pro počítačové vědy v Kobe, Japonsko.

“Zjistili jsme, že náš kód je extrémně efektivní, dosahující cíle jednoho sekundy na časový krok výpočtu, který je potřebný pro praktické aplikace,” říká profesor Yabana. “Výkon je blízký jeho maximální možné hodnotě, stanovené šířkou počítačové paměti, a kód má žádoucí vlastnost vynikající slabé škálovatelnosti.”

Tento nový přístup by mohl být použit k prozkoumání různých jevů v optice a fotonice na nanometrové škále.