研究者が光と物質の相互作用をシミュレートするための計算アプローチを開発

日本の筑波大学の研究者は、原子スケールでの光と物質の相互作用をシミュレートするための新しい計算アプローチを開発しました。これらの光と物質の相互作用は、レーザー、発光ダイオード（LED）、原子時計などの技術を作成するために使用されます。しかし、既存の計算アプローチは、限界があり、能力が制限されています。

新しい研究は、ハイパフォーマンスコンピューティングアプリケーションの国際ジャーナルに掲載されました。

高効率計算方法

研究では、原子スケールでの光と物質の相互作用をシミュレートするための新しい高効率方法が説明されています。

これらの相互作用をシミュレートするのは難しい理由の1つは、相互作用に関連する現象が、光波の伝播や物質の中の電子とイオンの動力学などのさまざまな物理学的分野を包含していることです。もう1つの課題は、現象が広範な長さと時間スケールを包含する可能性があることです。

2つの別々の方法

この問題のマルチフィジクスとマルチスケール性の性質により、光と物質の相互作用は通常、2つの別々の計算方法でモデル化されます。最初の方法は電磁分析と呼ばれ、研究対象の光の電磁場を扱います。2つ目は物質の光学的特性の量子力学的計算です。

これら2つの方法は、電磁場が弱いと仮定し、長さスケールに違いがあると想定しています。

矢花一浩教授は、この研究の筆頭著者です。

「私たちのアプローチは、光と物質の相互作用をシミュレートするための統一された改良された方法を提供します」と矢花は述べています。「これは、3つの重要な物理方程式、つまり電磁場のマクスウェル方程式、電子の時間依存性コーンシャム方程式、イオンのニュートン方程式を同時に解くことで実現します。」

研究者は、SALMON（Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience）という自社ソフトウェアを使用して、この方法を実装しました。シミュレーションコンピューターコードを最大限に最適化してから、薄い無定形シリコン二酸化物の膜の中での光と物質の相互作用をモデル化することでコードをテストしました。この薄い無定形シリコン二酸化物の膜は、10,000個を超える原子で構成されています。

シミュレーションは、神戸の理化学研究所にある世界最速のスーパーコンピューター、富岳の約28,000ノードを使用して実行されました。

「私たちのコードは非常に効率的で、実用的なアプリケーションに必要な1秒あたりの計算ステップを達成しました」と矢花教授は述べています。「パフォーマンスは、コンピューターメモリの帯域幅によって設定される最大可能値に近く、コードには優れた弱スケーラビリティの特性があります。」

この新しいアプローチは、ナノスケール光学とフォトニクスのさまざまな現象を探索するために使用できます。