연구자들, 원자 규모에서 빛-물질 상호작용을 시뮬레이션하는 새로운 계산적 접근법 개발

일본 쓰쿠바 대학의 연구자들은 원자 규모에서 빛-물질 상호작용을 시뮬레이션하는 새로운 계산적 접근법을 개발했다. 이러한 빛-물질 상호작용은 레이저, 발광 다이오드(LED), 원자 시계와 같은 기술을 생성하는 데 사용된다. 그러나 이러한 상호작용을 모델링하는 기존의 계산적 접근법은 souvent 유용성과 능력에서 제한적이다.

새로운 연구는 인터내셔널 저널 오브 하이 퍼포먼스 컴퓨팅 애플리케이션에 발표되었다.

고효율 계산적 방법

이 연구는 원자 규모에서 빛-물질 상호작용을 시뮬레이션하는 새로운 고효율 방법을 설명한다.

이러한 상호작용을 시뮬레이션하는 이유 중 하나는 이러한 현상이 많은 다른 물리학 분야를 포함하기 때문이다. 예를 들어, 빛의 파동 전파와 물질 내의 전자 및 이온의 역학이 포함된다. 또 다른 도전은 이러한 현상이 넓은 길이와 시간 규모를 다루기 때문에 발생한다.

두 개의 별도 방법

이 문제의 멀티 물리학 및 멀티 스케일 특성으로 인해 빛-물질 상호작용은 일반적으로 두 개의 별도 계산적 방법으로 모델링된다. 첫 번째 방법은 전자기 분석이라고 하며, 연구하는 빛의 전자기 필드를 포함한다. 두 번째는 물질의 광학적 특성에 대한 양자 역학적 계산이다.

이 두 가지 방법은 전자기 필드가 약하다고 가정하고, 길이 규모에 차이가 있다고 가정한다.

카즈히로 야바나 교수는 이 연구의 선임 저자이다.

“우리의 접근법은 빛-물질 상호작용을 시뮬레이션하는 통일되고 개선된 방법을 제공한다”고 야바나 교수는 말한다. “우리는 세 가지 핵심 물리학 방정식을 동시에 해결함으로써 이를 달성한다. 즉, 전자기 필드의 맥스웰 방정식, 전자의 시간 의존적 코恩-샴 방정식, 이온의 뉴턴 방정식이다.”

연구자들은 SALMON(Softwares for Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience)이라는 자체 소프트웨어를 사용하여 이 방법을 구현했다. 그들은 시뮬레이션 컴퓨터 코드를 최적화하여 성능을 최대화한 다음, 무정형 실리콘 다이오ксайд의 얇은 필름에서 빛-물질 상호작용을 모델링하여 코드를 테스트했다. 이 무정형 실리콘 다이오кс이드 필름은 10,000개 이상의 원자를 포함한다.

시뮬레이션은 일본 고베에 있는 리켄 컴퓨터 과학 센터에 있는 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 후가쿠의 거의 28,000개의 노드를 사용하여 수행되었다.

“우리의 코드는 매우 효율적이며, 실제 적용을 위해 필요한 계산의 시간 단계당 1초의 목표를 달성했다”고 야바나 교수는 말한다. “성능은 컴퓨터 메모리의 대역폭에 의해 설정된 최대 가능한 값에 가깝고, 코드는 우수한 약한 확장성의 바람직한 특성을 가지고 있다.”

이 새로운 접근법은 나노스케일 광학 및 광자학에서 다양한 현상을 탐색하는 데 사용될 수 있다.