शोधकर्ताओं ने प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया का अनुकरण करने की नई गणनात्मक विधि विकसित की

जापान में त्सुकुबा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने परमाणु स्तर पर प्रकाश और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया का अनुकरण करने के लिए एक नए गणनात्मक दृष्टिकोण का विकास किया है। ये प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया अक्सर लेजर, लाइट-उत्पादक डायोड (एलईडी), और परमाणु घड़ियों जैसी प्रौद्योगिकियों को बनाने के लिए उपयोग की जाती हैं। हालांकि, इन परस्पर क्रियाओं को मॉडल करने के लिए मौजूदा गणनात्मक दृष्टिकोण अक्सर उपयोगिता और क्षमता में सीमित होते हैं।

यह नया अध्ययन द इंटरनेशनल जर्नल ऑफ हाई परफॉर्मेंस कंप्यूटिंग एप्लिकेशन में प्रकाशित किया गया था।

उच्च-कुशल गणनात्मक विधि

शोध एक नए उच्च-कुशल तरीके का वर्णन करता है जो परमाणु स्तर पर प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया को अनुकरण करने के लिए उपयोग किया जाता है।

इन परस्पर क्रियाओं का अनुकरण इतना कठिन होने का एक कारण यह है कि परस्पर क्रिया से जुड़े घटनाएं कई अलग-अलग क्षेत्रों में भौतिकी शामिल करती हैं, जैसे कि प्रकाश तरंगों का प्रसार और पदार्थ में इलेक्ट्रॉनों और आयनों की गतिविधि। एक और चुनौती यह है कि घटनाएं लंबाई और समय के विभिन्न पैमानों पर हो सकती हैं।

दो अलग-अलग तरीके

समस्या का बहु-भौतिकी और बहु-पैमानिक स्वभाव यह दर्शाता है कि प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया को आमतौर पर दो अलग-अलग गणनात्मक तरीकों से मॉडल किया जाता है। इनमें से पहला तरीका विद्युत चुम्बकीय विश्लेषण है, जिसमें प्रकाश के विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों का अध्ययन किया जाता है। दूसरा एक क्वांटम-यांत्रिक गणना है जो पदार्थ के ऑप्टिकल गुणों को निर्धारित करता है।

इन दो तरीकों में यह माना जाता है कि विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र कमजोर हैं और लंबाई के पैमाने में एक अंतर है।

प्रोफेसर काज़ुहिरो याबाना इस अध्ययन के वरिष्ठ लेखक हैं।

“हमारा दृष्टिकोण प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया को अनुकरण करने के लिए एक एकीकृत और सुधारित तरीका प्रदान करता है,” याबाना कहते हैं। “हम यह हासिल करते हैं कि तीन मुख्य भौतिक समीकरणों को एक साथ हल करके: विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों के लिए मैक्सवेल समीकरण, इलेक्ट्रॉनों के लिए समय-निर्भर कोहन-शाम समीकरण, और आयनों के लिए न्यूटन समीकरण।”

शोधकर्ताओं ने अपने इन-हाउस सॉफ्टवेयर सैल्मन (स्केलेबल एब इनिटियो लाइट-मैटर सिम्युलेटर फॉर ऑप्टिक्स एंड नैनोसाइंस) का उपयोग करके इस तरीके को लागू किया। उन्होंने सिम्युलेशन कंप्यूटर कोड को उसके प्रदर्शन को अधिकतम करने के लिए अनुकूलित किया और फिर इसे एक पतली फिल्म में प्रकाश-पदार्थ परस्पर क्रिया को मॉडल करके परीक्षण किया, जिसमें अमोर्फस सिलिकॉन डाइऑक्साइड के 10,000 से अधिक परमाणु थे।

सिम्युलेशन को जापान के कोबे में रिकेन सेंटर फॉर कंप्यूटेशनल साइंस में दुनिया के सबसे तेज़ सुपरकंप्यूटर फुगाकु के लगभग 28,000 नोड्स का उपयोग करके किया गया था।

“हमने पाया कि हमारा कोड बहुत कुशल है, जो व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक गणना के प्रत्येक समय-चरण के लिए एक सेकंड के लक्ष्य को प्राप्त करता है,” प्रोफेसर याबाना कहते हैं। “प्रदर्शन कंप्यूटर मेमोरी के बैंडविड्थ द्वारा निर्धारित इसके अधिकतम संभव मूल्य के करीब है, और कोड में उत्कृष्ट कमजोर मापनीयता का एक वांछनीय गुण है।”

यह नया दृष्टिकोण नैनोस्केल ऑप्टिक्स और फोटोनिक्स में विभिन्न घटनाओं की खोज के लिए उपयोग किया जा सकता है।