Les chercheurs développent une approche computationnelle pour simuler les interactions lumière-matière

Les chercheurs de l’Université de Tsukuba au Japon ont développé une nouvelle approche computationnelle pour simuler les interactions entre la matière et la lumière à l’échelle atomique. Ces interactions lumière-matière sont souvent utilisées pour créer des technologies telles que les lasers, les diodes électroluminescentes (LED) et les horloges atomiques. Cependant, les approches computationnelles existantes pour modéliser ces interactions sont souvent limitées en utilité et en capacité.

La nouvelle étude a été publiée dans The International Journal of High Performance Computing Applications.

Méthode computationnelle hautement efficace

La recherche décrit une nouvelle méthode hautement efficace pour simuler les interactions lumière-matière à l’échelle atomique.

L’une des raisons pour lesquelles ces interactions sont si difficiles à simuler est que les phénomènes associés aux interactions impliquent de nombreux domaines de la physique, tels que la propagation des ondes lumineuses et la dynamique des électrons et des ions dans la matière. Un autre défi est que les phénomènes peuvent couvrir une large gamme d’échelles de longueur et de temps.

Deux méthodes distinctes

La nature multiphysique et multiscalaire du problème signifie que les interactions lumière-matière sont généralement modélisées avec deux méthodes computationnelles distinctes. La première de ces méthodes est appelée analyse électromagnétique, et elle implique les champs électromagnétiques de la lumière étudiée. La seconde est un calcul quantique-mécanique des propriétés optiques de la matière.

Ces deux méthodes supposent que les champs électromagnétiques sont faibles et qu’il y a une différence dans l’échelle de longueur.

Le professeur Kazuhiro Yabana est l’auteur principal de l’étude.

“Notre approche fournit une méthode unifiée et améliorée pour simuler les interactions lumière-matière”, déclare Yabana. “Nous réalisons cela en résolvant simultanément trois équations physiques clés : l’équation de Maxwell pour les champs électromagnétiques, l’équation de Kohn-Sham dépendante du temps pour les électrons et l’équation de Newton pour les ions.”

Les chercheurs ont utilisé leur logiciel SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) pour mettre en œuvre la méthode. Ils ont optimisé le code de simulation informatique pour maximiser ses performances avant de tester le code en modélisant les interactions lumière-matière dans un film mince de dioxyde de silicium amorphe. Ce film mince de dioxyde de silicium amorphe est composé de plus de 10 000 atomes.

La simulation a été effectuée à l’aide de près de 28 000 nœuds de Fugaku, qui est le supercalculateur le plus rapide du monde situé au RIKEN Center for Computational Science à Kobe, au Japon.

“Nous avons constaté que notre code est extrêmement efficace, atteignant l’objectif d’une seconde par étape de calcul nécessaire pour les applications pratiques”, déclare le professeur Yabana. “Les performances sont proches de leur valeur maximale possible, fixée par la bande passante de la mémoire informatique, et le code a la propriété souhaitable d’une excellente scalabilité faible.”

Cette nouvelle approche pourrait être utilisée pour explorer différents phénomènes en optique et en photonique à l’échelle nanométrique.