Ερευνητές Ανάπτυξαν Υπολογιστική Μέθοδο για την Προσομοίωση Αλληλεπιδράσεων Φωτός και Υλής

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Tsukuba της Ιαπωνίας έχουν αναπτύξει μια νέα υπολογιστική μέθοδο για την προσομοίωση αλληλεπιδράσεων μεταξύ υλικού και φωτός σε ατομική κλίμακα. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις φωτός και υλικού χρησιμοποιούνται συχνά για την δημιουργία τεχνολογιών όπως laser, διόδους εκπομπής φωτός (LED) και ατομικά ρολόγια. Ωστόσο, οι υπάρχουσες υπολογιστικές μέθοδοι για την μοντελοποίηση αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι συχνά περιορισμένες σε χρησιμότητα και ικανότητα.

Η νέα μελέτη δημοσιεύθηκε στο The International Journal of High Performance Computing Applications.

Υψηλής Απόδοσης Υπολογιστική Μέθοδος

Η έρευνα περιγράφει μια νέα υψηλής απόδοσης μέθοδο για την προσομοίωση αλληλεπιδράσεων φωτός και υλικού σε ατομική κλίμακα.

Ένας από τους λόγους που αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι τόσο δύσκολο να προσομοιωθούν είναι ότι τα φαινόμενα που σχετίζονται με τις αλληλεπιδράσεις περιλαμβάνουν πολλά διαφορετικά πεδία της φυσικής, όπως η διάδοση των κυμάτων φωτός και η δυναμική των ηλεκτρονίων και ιόντων στο υλικό. Ένας άλλος προκλητικός παράγοντας είναι ότι τα φαινόμενα μπορούν να καλύψουν ένα ευρύ φάσμα μήκους και χρόνου.

Δύο Ξεχωριστές Μέθοδοι

Η πολυφυσική φύση του προβλήματος και οι πολλαπλές κλίμακές του σημαίνει ότι οι αλληλεπιδράσεις φωτός και υλικού μοντελοποιούνται συνήθως με δύο ξεχωριστές υπολογιστικές μεθόδους. Η πρώτη από αυτές τις μεθόδους ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική ανάλυση και αφορά τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία του φωτός που μελετάται. Η δεύτερη είναι ένας κβαντομηχανικός υπολογισμός των οπτικών ιδιοτήτων του υλικού.

Αυτές οι δύο μέθοδοι υποθέτουν ότι τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία είναι ασθενή και υπάρχει μια διαφορά στην κλίμακα μήκους.

Ο Καθηγητής Kazuhiro Yabana είναι ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης.

“Η προσέγγισή μας παρέχει μια ενιαία και βελτιωμένη μέθοδο για την προσομοίωση αλληλεπιδράσεων φωτός και υλικού,” λέει ο Yabana. “Αυτό το επιτύχαμε επιλύοντας ταυτόχρονα τρεις βασικές εξισώσεις φυσικής: την εξίσωση Maxwell για τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, τη χρονοεξαρτώμενη εξίσωση Kohn-Sham για τα ηλεκτρόνια και την εξίσωση Newton για τα ιόντα.”

Οι ερευνητές βασίστηκαν στο εσωτερικό λογισμικό SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) για την εφαρμογή της μεθόδου. Βελτίωσαν τον κώδικα προσομοίωσης για να μεγιστοποιήσουν την απόδοσή του πριν το δοκιμάσουν μοντελοποιώντας αλληλεπιδράσεις φωτός και υλικού σε ένα λεπτό φύλλο άμορφου διοξειδίου του πυριτίου. Αυτό το λεπτό φύλλο άμορφου διοξειδίου του πυριτίου αποτελείται από πάνω από 10.000 άτομα.

Η προσομοίωση πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας σχεδόν 28.000 κόμβους του Fugaku, που είναι ο ταχύτερος υπερυπολογιστής του κόσμου, που βρίσκεται στο RIKEN Center for Computational Science στην Kobe, Ιαπωνία.

“Βρήκαμε ότι ο κώδικας μας είναι εξαιρετικά αποτελεσματικός, επιτυγχάνοντας τον στόχο του ενός δευτερολέπτου ανά βήμα υπολογισμού που απαιτείται για πρακτικές εφαρμογές,” λέει ο Καθηγητής Yabana. “Η απόδοση είναι κοντά στην μέγιστη δυνατή τιμή, που ορίζεται από το εύρος ζώνης της μνήμης του υπολογιστή, και ο κώδικας έχει την επιθυμητή ιδιότητα της εξαιρετικής ασθενούς κλιμάκωσης.”

Αυτή η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την εξέταση διαφορετικών φαινομένων στην οπτική και την φωτονική σε νανοκλίμακα.