Tutkijat kehittivät laskennallisen menetelmän valon ja aineen vuorovaikutuksien simulointiin

Japanin Tsukuban yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden laskennallisen menetelmän valon ja aineen vuorovaikutuksien simulointiin atomitason mittakaavassa. Nämä valon ja aineen vuorovaikutukset ovat usein käytetty teknologioiden luomiseen, kuten lasereiden, valoa emittoivien diodien (LED) ja atomikellojen kehittämisessä. Kuitenkin olemassa olevat laskennalliset menetelmät näiden vuorovaikutuksien mallintamiseen ovat usein rajoittuneita ja eivät ole kovin hyödyllisiä.

Uusi tutkimus on julkaistu The International Journal of High Performance Computing Applications -julkaisussa.

Erittäin Tehokas Laskennallinen Menetelmä

Tutkimus kuvailee uuden erittäin tehokkaan menetelmän valon ja aineen vuorovaikutuksien simulointiin atomitason mittakaavassa.

Yksi syy, miksi nämä vuorovaikutukset ovat niin vaikeita simuloimaan, on se, että ilmiöt, jotka liittyvät näihin vuorovaikutuksiin, kattavat useita eri alueita fysiikassa, kuten valoaaltojen etenemisen ja elektronien ja ionien dynamiikan aineessa. Toinen haaste on se, että ilmiöt voivat kattaa laajan mittakaavan sekä pituuden että ajan suhteen.

Kaksi Eri Menetelmää

Monifysiikan ja monimittakaavan luonteen vuoksi valon ja aineen vuorovaikutukset mallinnetaan yleensä kahdella eri laskennallisella menetelmällä. Ensimmäinen näistä menetelmistä on sähkömagneettinen analyysi, joka liittyy valon sähkömagneettisiin kenttiin. Toinen on kvanttimekaaninen laskelma aineen optisista ominaisuuksista.

Nämä kaksi menetelmää olettavat, että sähkömagneettiset kentät ovat heikkoja ja pituusmittakaavoissa on ero.

Professori Kazuhiro Yabana on tutkimuksen seniorkirjoittaja.

“Lähestymistapamme tarjoaa yhdenmukaisen ja parannellun tavan simuloida valon ja aineen vuorovaikutuksia”, Yabana sanoo. “Saavutamme tämän ratkaisemalla samanaikaisesti kolme keskeistä fysiikan yhtälöä: Maxwellin yhtälön sähkömagneettisille kentille, aikariippuvan Kohn-Shamin yhtälön elektroneille ja Newtonin yhtälön ioneille.”

Tutkijat käyttivät omaa SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) -ohjelmistoaan menetelmän toteuttamiseen. He optimoivat simulaatiokoneohjelmaa sen suorituskyvyn maksimoimiseksi ennen ohjelmakoodin testaamista valon ja aineen vuorovaikutuksien mallinnuksella ohuessa amorfisessa piidioksidikalvossa. Tämä ohut amorfinen piidioksidikalvo koostuu yli 10 000 atomista.

Simulointi suoritettiin käyttäen lähes 28 000 solmua Fugakusta, joka on maailman nopein supertietokone, sijaitsee RIKENin laskennallisen tieteen keskuksessa Kobessa, Japanissa.

“Havaitsemme, että koodimme on erittäin tehokas, saavuttaen tavoitteen yhdestä sekunnista jokaiselle laskenta-askelulle, joka on tarpeen käytännön sovelluksille”, professori Yabana sanoo. “Suorituskyky on lähellä sen mahdollista maksimiarvoa, joka on määritetty tietokoneen muistin kaistanleveyden mukaan, ja koodilla on toivottu ominaisuus: erinomainen heikko skaalautuvuus (weak scalability).”

Tämä uusi lähestymistapa voisi olla käytettävissä eri ilmiöiden tutkimiseen nanomittakaavan optiikassa ja fotoniikassa.