Forscher entwickeln computergestützten Ansatz für die Simulation von Licht-Materie-Wechselwirkungen

Forscher an der Universität Tsukuba in Japan haben einen neuen computergestützten Ansatz für die Simulation von Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht auf atomarer Ebene entwickelt. Diese Licht-Materie-Wechselwirkungen werden oft verwendet, um Technologien wie Laser, Leuchtdioden (LEDs) und Atomuhren zu erstellen. Allerdings sind bestehende computergestützte Ansätze für die Modellierung dieser Wechselwirkungen oft in ihrer Nützlichkeit und Fähigkeit begrenzt.

Die neue Studie wurde in The International Journal of High Performance Computing Applications veröffentlicht.

Hocheffizienter computergestützter Ansatz

Die Forschung beschreibt einen neuen hocheffizienten Ansatz für die Simulation von Licht-Materie-Wechselwirkungen auf atomarer Ebene.

Einer der Gründe, warum diese Wechselwirkungen so schwierig zu simulieren sind, ist, dass die mit den Wechselwirkungen verbundenen Phänomene viele verschiedene Bereiche der Physik umfassen, wie die Ausbreitung von Lichtwellen und die Dynamik von Elektronen und Ionen in der Materie. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Phänomene eine breite Palette von Längen- und Zeitskalen abdecken können.

Zwei separate Methoden

Die Multiphysik- und Multiskalen-Natur des Problems bedeutet, dass Licht-Materie-Wechselwirkungen normalerweise mit zwei separaten computergestützten Methoden modelliert werden. Die erste dieser Methoden wird elektromagnetische Analyse genannt und umfasst die elektromagnetischen Felder des Lichts, das untersucht wird. Die zweite ist eine quantenmechanische Berechnung der optischen Eigenschaften der Materie.

Diese beiden Methoden gehen davon aus, dass die elektromagnetischen Felder schwach sind und es einen Unterschied in der Längenskala gibt.

Professor Kazuhiro Yabana ist der leitende Autor der Studie.

“Unser Ansatz bietet eine einheitliche und verbesserte Möglichkeit, Licht-Materie-Wechselwirkungen zu simulieren”, sagt Yabana. “Wir erreichen dies, indem wir drei wichtige physikalische Gleichungen gleichzeitig lösen: die Maxwell-Gleichung für die elektromagnetischen Felder, die zeitabhängige Kohn-Sham-Gleichung für die Elektronen und die Newton-Gleichung für die Ionen.”

Die Forscher verließen sich auf ihre eigene Software SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience), um die Methode umzusetzen. Sie optimierten den Simulations-Computercode, um seine Leistung zu maximieren, bevor sie den Code testeten, indem sie Licht-Materie-Wechselwirkungen in einer dünnen Schicht von amorphem Siliziumdioxid modellierten. Diese dünne Schicht von amorphem Siliziumdioxid besteht aus über 10.000 Atomen.

Die Simulation wurde mit fast 28.000 Knoten des Fugaku-Computers durchgeführt, der der schnellste Supercomputer der Welt am RIKEN Center for Computational Science in Kobe, Japan, ist.

“Wir fanden heraus, dass unser Code extrem effizient ist und das Ziel von einer Sekunde pro Zeitschritt der Berechnung erreicht, die für praktische Anwendungen erforderlich ist”, sagt Professor Yabana. “Die Leistung ist nahe an ihrem maximal möglichen Wert, der durch die Bandbreite des Computer-Speichers bestimmt wird, und der Code hat die wünschenswerte Eigenschaft einer hervorragenden schwachen Skalierbarkeit.”

Dieser neue Ansatz könnte verwendet werden, um verschiedene Phänomene in der Nanooptik und Photonik zu untersuchen.