Forskere udvikler beregningsmetode til simulation af lys-stof-interaktioner

Forskere ved University of Tsukuba i Japan har udviklet en ny beregningsmetode til simulation af interaktioner mellem lys og stof på atomsk skala. Disse lys-stof-interaktioner bruges ofte til at skabe teknologier som lasere, lysdioder (LED) og atomur. Men eksisterende beregningsmetoder til modellering af disse interaktioner er ofte begrænsede i deres nyttighed og kapacitet.

Den nye studie er offentliggjort i The International Journal of High Performance Computing Applications.

Højtydende beregningsmetode

Forskningen beskriver en ny højtydende metode til simulation af lys-stof-interaktioner på atomsk skala.

En af årsagerne til, at disse interaktioner er så svære at simulere, er, at fænomenerne, der er forbundet med interaktionerne, omfatter mange forskellige områder af fysik, såsom udbredelsen af lysbølger og dynamikken af elektroner og ioner i stof. En anden udfordring er, at fænomenerne kan dække et bredt spektrum af længde- og tids-skalaer.

To separate metoder

Den multiphysikalske og multiscale-natur af problemet betyder, at lys-stof-interaktioner normalt modelleres med to separate beregningsmetoder. Den første af disse metoder kaldes elektromagnetisk analyse, og den omfatter de elektromagnetiske felter af lyset, der studeres. Den anden er en kvantemekanisk beregning af de optiske egenskaber af stoffet.

Disse to metoder antager, at de elektromagnetiske felter er svage, og der er en forskel i længde-skalaen.

Professor Kazuhiro Yabana er seniorforfatter af studiet.

“Vores tilgang tilbyder en samlet og forbedret måde at simulere lys-stof-interaktioner på,” siger Yabana. “Vi opnår dette ved at løse tre nøglefysik-ligninger samtidigt: Maxwell-ligningen for de elektromagnetiske felter, den tidsafhængige Kohn-Sham-ligning for elektronerne og Newton-ligningen for ionerne.”

Forskerne brugte deres egen software SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) til at implementere metoden. De optimerede simulationscomputerkoden for at maksimere dens ydeevne, før de testede koden ved at modellere lys-stof-interaktioner i en tynd film af amorf siliciumdioxid. Denne tynde film af amorf siliciumdioxid består af over 10.000 atomer.

Simulationen blev udført ved hjælp af næsten 28.000 noder af Fugaku, som er verdens hurtigste supercomputer, beliggende på RIKEN Center for Computational Science i Kobe, Japan.

“Vi fandt, at vores kode er ekstremt effektiv, og opnår målet på en sekund per tids-trin i beregningen, som er nødvendig for praktiske anvendelser,” siger professor Yabana. “Ydeevnen er tæt på dens maksimale mulige værdi, der er fastsat af computerhukommelsens båndbredde, og koden har den ønskede egenskab af excellent svag skalerbarhed.”

Denne nye tilgang kan bruges til at udforske forskellige fænomener i nanoskala-optik og fotonik.