Naukowcy opracowują komputerową metodę symulowania oddziaływań między światłem a materią

Naukowcy z Uniwersytetu Tsukuba w Japonii opracowali nową komputerową metodę symulowania oddziaływań między światłem a materią w skali atomowej. Te oddziaływania między światłem a materią są często wykorzystywane do tworzenia technologii takich jak lasery, diody emitujące światło (LED) i zegary atomowe. Jednak istniejące komputerowe metody modelowania tych oddziaływań często mają ograniczoną przydatność i możliwości.

Nowe badanie zostało opublikowane w The International Journal of High Performance Computing Applications.

Wysoce wydajna metoda komputerowa

Badanie opisuje nową, wysoce wydajną metodę symulowania oddziaływań między światłem a materią w skali atomowej.

Jednym z powodów, dla których te oddziaływania są tak trudne do symulowania, jest to, że zjawiska związane z tymi oddziaływaniami obejmują wiele różnych dziedzin fizyki, takich jak propagacja fal świetlnych i dynamika elektronów i jonów w materii. Innym wyzwaniem jest to, że zjawiska te mogą obejmować szeroki zakres długości i skal czasowych.

Dwie odrębne metody

Wielofizyczna i wieloskalowa natura problemu oznacza, że oddziaływania między światłem a materią są zwykle modelowane przy użyciu dwóch odrębnych komputerowych metod. Pierwsza z tych metod nazywa się analizą elektromagnetyczną i obejmuje pola elektromagnetyczne światła, które jest badane. Druga to kwantowo-mechaniczny obliczeń optycznych właściwości materii.

Te dwie metody zakładają, że pola elektromagnetyczne są słabe i istnieje różnica w skali długości.

Profesor Kazuhiro Yabana jest seniorem autorem badania.

“Nasze podejście zapewnia zjednoczone i ulepszone sposoby symulowania oddziaływań między światłem a materią,” mówi Yabana. “Osiągamy to, rozwiązując jednocześnie trzy kluczowe równania fizyki: równanie Maxwella dla pól elektromagnetycznych, równanie czasowe Kohna-Shama dla elektronów i równanie Newtona dla jonów.”

Naukowcy wykorzystali swój wewnętrzny oprogramowanie SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience), aby zaimplementować tę metodę. Optymalizowali kod symulacji komputerowej, aby maksymalizować jego wydajność, zanim przetestowali kod, modelując oddziaływania między światłem a materią w cienkiej warstwie amorficznego dwutlenku krzemu. Ta cienka warstwa amorficznego dwutlenku krzemu składa się z ponad 10 000 atomów.

Symulacja została przeprowadzona przy użyciu prawie 28 000 węzłów Fugaku, który jest najszybszym superkomputerem na świecie, zlokalizowanym w RIKEN Center for Computational Science w Kobe, Japonia.

“Stwierdziliśmy, że nasz kod jest niezwykle wydajny, osiągając cel jednej sekundy na krok obliczeniowy, który jest potrzebny do praktycznych zastosowań,” mówi profesor Yabana. “Wydajność jest bliska maksymalnej możliwej wartości, ustalonej przez przepustowość pamięci komputera, a kod ma pożądaną właściwość doskonałej słabej skalowalności.”

To nowe podejście mogłoby być wykorzystane do badania różnych zjawisk w optyce i fotonicach w skali nano.