I ricercatori sviluppano un approccio computazionale per simulare le interazioni luce-materia

I ricercatori dell’Università di Tsukuba in Giappone hanno sviluppato un nuovo approccio computazionale per simulare le interazioni tra materia e luce a scala atomica. Queste interazioni luce-materia sono spesso utilizzate per creare tecnologie come laser, diodi emettitori di luce (LED) e orologi atomici. Tuttavia, gli approcci computazionali esistenti per la modellazione di queste interazioni sono spesso limitati nella loro utilità e capacità.

Lo studio è stato pubblicato su The International Journal of High Performance Computing Applications.

Metodo computazionale ad alta efficienza

La ricerca descrive un nuovo metodo ad alta efficienza per simulare le interazioni luce-materia a scala atomica.

Una delle ragioni per cui queste interazioni sono così difficili da simulare è che i fenomeni associati alle interazioni coinvolgono molte aree diverse della fisica, come la propagazione delle onde luminose e la dinamica degli elettroni e degli ioni nella materia. Un’altra sfida è che i fenomeni possono coprire una vasta gamma di scale di lunghezza e tempo.

Due metodi separati

La natura multifisica e multiscale del problema significa che le interazioni luce-materia sono solitamente modellate con due metodi computazionali separati. Il primo di questi metodi è chiamato analisi elettromagnetica e coinvolge i campi elettromagnetici della luce che vengono studiati. Il secondo è un calcolo quantistico delle proprietà ottiche della materia.

Questi due metodi presuppongono che i campi elettromagnetici siano deboli e che ci sia una differenza nella scala di lunghezza.

Il professor Kazuhiro Yabana è l’autore senior dello studio.

“Il nostro approccio fornisce un metodo unificato e migliorato per simulare le interazioni luce-materia”, afferma Yabana. “Raggiungiamo questo risultato risolvendo simultaneamente tre equazioni fisiche fondamentali: l’equazione di Maxwell per i campi elettromagnetici, l’equazione di Kohn-Sham dipendente dal tempo per gli elettroni e l’equazione di Newton per gli ioni.”

I ricercatori hanno fatto affidamento sul loro software SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) per implementare il metodo. Hanno ottimizzato il codice di simulazione del computer per massimizzare le prestazioni prima di testare il codice modellando le interazioni luce-materia in un film sottile di diossido di silicio amorfo. Questo film sottile di diossido di silicio amorfo è composto da oltre 10.000 atomi.

La simulazione è stata eseguita utilizzando quasi 28.000 nodi di Fugaku, che è il supercomputer più veloce del mondo situato al RIKEN Center for Computational Science di Kobe, in Giappone.

“Abbiamo scoperto che il nostro codice è estremamente efficiente, raggiungendo l’obiettivo di un secondo per ogni passo temporale del calcolo necessario per applicazioni pratiche”, afferma il professor Yabana. “Le prestazioni sono vicine al loro valore massimo possibile, impostato dalla larghezza di banda della memoria del computer, e il codice ha la proprietà desiderabile di una scala debole eccellente.”

Questo nuovo approccio potrebbe essere utilizzato per esplorare diversi fenomeni nell’ottica e nella fotonica a scala nanometrica.