Onderzoekers ontwikkelen computationele aanpak voor het simuleren van licht-materie-interacties

Onderzoekers aan de Universiteit van Tsukuba in Japan hebben een nieuwe computationele aanpak ontwikkeld voor het simuleren van interacties tussen materie en licht op atoomschaal. Deze licht-materie-interacties worden vaak gebruikt om technologieën zoals lasers, lichtemitterende diodes (LED’s) en atoomklokken te creëren. Echter, bestaande computationele aanpakken voor het modelleren van deze interacties zijn vaak beperkt in bruikbaarheid en mogelijkheden.

De nieuwe studie werd gepubliceerd in The International Journal of High Performance Computing Applications.

Hoog-efficiënte computationele methode

Het onderzoek beschrijft een nieuwe hoog-efficiënte methode voor het simuleren van licht-materie-interacties op atoomschaal.

Een van de redenen waarom deze interacties zo moeilijk te simuleren zijn, is dat de fenomenen die hiermee samenhangen, veel verschillende gebieden van de natuurkunde omvatten, zoals de voortplanting van lichtgolven en de dynamica van elektronen en ionen in materie. Een andere uitdaging is dat de fenomenen een breed bereik van lengte- en tijdschalen kunnen omvatten.

Twee afzonderlijke methoden

De multiphysica- en multischaal-aard van het probleem betekent dat licht-materie-interacties meestal worden gemodelleerd met twee afzonderlijke computationele methoden. De eerste van deze methoden wordt elektromagnetische analyse genoemd en omvat de elektromagnetische velden van het licht dat wordt bestudeerd. De tweede is een kwantum-mechanische berekening van de optische eigenschappen van de materie.

Deze twee methoden gaan ervan uit dat de elektromagnetische velden zwak zijn en dat er een verschil is in de lengteschaal.

Professor Kazuhiro Yabana is de senior auteur van de studie.

“Onze aanpak biedt een uniforme en verbeterde manier om licht-materie-interacties te simuleren,” zegt Yabana. “We bereiken dit door gelijktijdig drie belangrijke natuurkundige vergelijkingen op te lossen: de Maxwell-vergelijking voor de elektromagnetische velden, de tijd-afhankelijke Kohn-Sham-vergelijking voor de elektronen en de Newton-vergelijking voor de ionen.”

De onderzoekers gebruikten hun in-huissoftware SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) om de methode te implementeren. Ze optimaliseerden de simuleringscomputercode om de prestaties te maximaliseren voordat ze de code testten door licht-materie-interacties te modelleren in een dunne film van amorf siliciumdioxide. Deze dunne film van amorf siliciumdioxide bestaat uit meer dan 10.000 atomen.

De simulatie werd uitgevoerd met bijna 28.000 knooppunten van Fugaku, de snelste supercomputer ter wereld, gevestigd in het RIKEN Center for Computational Science in Kobe, Japan.

“We vonden dat onze code extreem efficiënt is, met een doel van één seconde per tijdstap van de berekening die nodig is voor praktische toepassingen,” zegt professor Yabana. “De prestaties liggen dicht bij de maximale mogelijke waarde, bepaald door de bandbreedte van het computergeheugen, en de code heeft de gewenste eigenschap van uitstekende zwakke schaalbaarheid.”

Deze nieuwe aanpak kan worden gebruikt om verschillende fenomenen in nanoschaaloptica en fotonica te onderzoeken.