Forskere utvikler beregningsmetode for å simulere lys-stoff-interaksjoner

Forskere ved Universitetet i Tsukuba i Japan har utviklet en ny beregningsmetode for å simulere interaksjoner mellom stoff og lys på atomsk skala. Disse lys-stoff-interaksjonene brukes ofte til å skape teknologier som lasere, lysdioder (LED) og atomur. Men eksisterende beregningsmetoder for å modellere disse interaksjonene er ofte begrensede i brukbarhet og evne.

Den nye studien ble publisert i The International Journal of High Performance Computing Applications.

Høyeffektiv beregningsmetode

Forskningen beskriver en ny høyeffektiv metode for å simulere lys-stoff-interaksjoner på atomsk skala.

En av årsakene til at disse interaksjonene er så vanskelige å simulere er at fenomenene som er forbundet med interaksjonene omfatter mange forskjellige områder av fysikk, som utbredelsen av lysbølger og dynamikken til elektroner og ioner i stoff. En annen utfordring er at fenomenene kan dekke et stort spekter av lengde- og tidsskalaer.

To separate metoder

Den multiphysikalske og multiscale-egenskapen til problemet betyr at lys-stoff-interaksjoner vanligvis modelleres med to separate beregningsmetoder. Den første av disse metodene kalles elektromagnetisk analyse, og den omfatter elektromagnetiske felt av lyset som studeres. Den andre er en kvantemekanisk beregning av de optiske egenskapene til stoffet.

Disse to metodene antar at de elektromagnetiske feltene er svake og at det er en forskjell i lengdeskalaen.

Professor Kazuhiro Yabana er seniorforfatter av studien.

“Vår tilnærming gir en forent og forbedret måte å simulere lys-stoff-interaksjoner,” sier Yabana. “Vi oppnår dette ved å løse tre nøkkel-fysikk-ligninger samtidig: Maxwell-ligningen for de elektromagnetiske feltene, den tid-avhengige Kohn-Sham-ligningen for elektronene og Newton-ligningen for ionene.”

Forskerne brukte sin egen programvare SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) for å implementere metoden. De optimerte simuleringskoden for å maksimere ytelsen før de testet koden ved å modellere lys-stoff-interaksjoner i en tynn film av amorf silisiumdioksid. Denne tynne filmen av amorf silisiumdioksid består av over 10 000 atomer.

Simuleringen ble utført med nesten 28 000 noder av Fugaku, som er verdens raskeste supercomputer, beliggende ved RIKEN Center for Computational Science i Kobe, Japan.

“Vi fant at vår kode er ekstremt effektiv, og nådde målet om én sekund per tidssteg i beregningen som er nødvendig for praktiske anvendelser,” sier professor Yabana. “Ytelsen er nær sin maksimale mulige verdi, som er bestemt av båndbredden til dataminnen, og koden har den ønskede egenskapen av god svak skalerbarhet.”

Denne nye tilnærmingen kan brukes til å utforske forskjellige fenomener i nanoskala-optikk og fotonikk.