Peneliti Mengembangkan Pendekatan Komputasi untuk Mensimulasikan Interaksi Cahaya-Materi

Peneliti di Universitas Tsukuba di Jepang telah mengembangkan pendekatan komputasi baru untuk mensimulasikan interaksi antara materi dan cahaya pada skala atom. Interaksi cahaya-materi ini sering digunakan untuk menciptakan teknologi seperti laser, dioda emisi cahaya (LED), dan jam atom. Namun, pendekatan komputasi yang ada untuk memodelkan interaksi ini sering terbatas dalam kegunaan dan kemampuan.

Studi baru ini diterbitkan di The International Journal of High Performance Computing Applications.

Metode Komputasi yang Sangat Efisien

Penelitian ini menjelaskan metode baru yang sangat efisien untuk mensimulasikan interaksi cahaya-materi pada skala atom.

Salah satu alasan interaksi ini sangat sulit untuk disimulasikan adalah bahwa fenomena yang terkait dengan interaksi ini melibatkan banyak bidang fisika yang berbeda, seperti propagasi gelombang cahaya dan dinamika elektron dan ion dalam materi. Tantangan lainnya adalah bahwa fenomena ini dapat mencakup berbagai skala panjang dan waktu.

Dua Metode Terpisah

Sifat multipisika dan multiscale dari masalah ini berarti bahwa interaksi cahaya-materi biasanya dimodelkan dengan dua metode komputasi terpisah. Metode pertama disebut analisis elektromagnetik, dan melibatkan medan elektromagnetik dari cahaya yang sedang dipelajari. Yang kedua adalah perhitungan mekanika kuantum dari sifat optik materi.

Kedua metode ini menganggap bahwa medan elektromagnetik lemah dan ada perbedaan dalam skala panjang.

Profesor Kazuhiro Yabana adalah penulis senior dari studi ini.

“Pendekatan kami menyediakan cara yang seragam dan ditingkatkan untuk mensimulasikan interaksi cahaya-materi,” kata Yabana. “Kami mencapai hal ini dengan secara bersamaan memecahkan tiga persamaan fisika kunci: persamaan Maxwell untuk medan elektromagnetik, persamaan Kohn-Sham waktu-tergantung untuk elektron, dan persamaan Newton untuk ion.”

Peneliti menggunakan perangkat lunak in-house mereka SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) untuk menerapkan metode ini. Mereka mengoptimalkan kode simulasi komputer untuk memaksimalkan kinerjanya sebelum menguji kode dengan memodelkan interaksi cahaya-materi dalam film tipis silikon dioksida amorf. Film tipis silikon dioksida amorf ini terdiri dari lebih dari 10.000 atom.

Simulasi ini dilakukan menggunakan hampir 28.000 node dari Fugaku, yang merupakan superkomputer tercepat di dunia yang terletak di Pusat Sains Komputasi RIKEN di Kobe, Jepang.

“Kami menemukan bahwa kode kami sangat efisien, mencapai tujuan satu detik per langkah waktu yang diperlukan untuk aplikasi praktis,” kata Profesor Yabana. “Kinerja ini dekat dengan nilai maksimum yang mungkin, yang ditetapkan oleh bandwidth memori komputer, dan kode ini memiliki sifat yang diinginkan yaitu skalabilitas lemah yang sangat baik.”

Pendekatan baru ini dapat digunakan untuk menjelajahi fenomena yang berbeda dalam optika dan fotonika skala nano.