Pētnieki izstrādā skaitļošanas pieeju gaismas un vielas mijiedarbības simulēšanai

Japānas Tsukubas universitātes pētnieki ir izstrādājuši jaunu skaitļošanas pieeju, lai modelētu vielas un gaismas mijiedarbību atomu mērogā. Šo gaismas vielu mijiedarbību bieži izmanto, lai izveidotu tādas tehnoloģijas kā lāzeri, gaismas diodes (LED) un atompulksteņi. Tomēr esošās skaitļošanas pieejas šo mijiedarbību modelēšanai bieži vien ir ierobežotas lietderības un iespēju ziņā.

Jaunais pētījums tika publicēts Starptautiskais augstas veiktspējas skaitļošanas lietojumprogrammu žurnāls. 

Ļoti efektīva skaitļošanas metode

Pētījumā aprakstīta jauna ļoti efektīva metode gaismas un vielas mijiedarbības simulēšanai atomu mērogā. 

Viens no iemesliem, kāpēc šīs mijiedarbības ir tik grūti simulēt, ir tas, ka ar mijiedarbību saistītās parādības ietver daudzas dažādas fizikas jomas, piemēram, gaismas viļņu izplatīšanos un elektronu un jonu dinamiku vielā. Vēl viens izaicinājums ir tas, ka parādības var aptvert plašu garuma un laika skalu diapazonu. 

Divas atsevišķas metodes

Problēmas daudzfizikas un daudzmērogu raksturs nozīmē, ka gaismas un vielas mijiedarbību parasti modelē ar divām atsevišķām skaitļošanas metodēm. Pirmo no šīm metodēm sauc par elektromagnētisko analīzi, un tā ietver pētāmās gaismas elektromagnētiskos laukus. Otrais ir matērijas optisko īpašību kvantu mehāniskais aprēķins. 

Šīs divas metodes pieņem, ka elektromagnētiskie lauki ir vāji un atšķiras garuma skala.

Profesors Kazuhiro Yabana ir pētījuma vecākais autors.

"Mūsu pieeja nodrošina vienotu un uzlabotu veidu, kā simulēt gaismas vielu mijiedarbību," saka Yabana. "Mēs panākam šo varoņdarbu, vienlaikus risinot trīs galvenos fizikas vienādojumus: Maksvela vienādojumu elektromagnētiskajiem laukiem, no laika atkarīgo Kohna-Šama vienādojumu elektroniem un Ņūtona vienādojumu joniem."

Lai ieviestu metodi, pētnieki paļāvās uz savu iekšējo programmatūru SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulators optikai un nanozinātnei). Viņi optimizēja simulācijas datora kodu, lai palielinātu tā veiktspēju pirms koda testēšanas, modelējot gaismas vielu mijiedarbību plānā amorfā silīcija dioksīda plēvē. Šī plānā amorfā silīcija dioksīda plēve sastāv no vairāk nekā 10,000 XNUMX atomiem. 

Simulācija tika veikta, izmantojot gandrīz 28,000 XNUMX Fugaku mezglu, kas ir ātrākais superdators pasaulē, kas atrodas RIKEN skaitļošanas zinātnes centrā Kobē, Japānā.

"Mēs atklājām, ka mūsu kods ir ārkārtīgi efektīvs, sasniedzot mērķi par vienu sekundi katrā aprēķina laika posmā, kas nepieciešams praktiskajam lietojumam," saka profesore Yabana. "Veiktspēja ir tuvu tās maksimālajai iespējamajai vērtībai, ko nosaka datora atmiņas joslas platums, un kodam ir vēlama īpašība - izcila vāja mērogojamība."

Šo jauno pieeju varētu izmantot, lai izpētītu dažādas parādības nanomēroga optikā un fotonikā.