Pesquisadores Desenvolvem Abordagem Computacional para Simular Interações entre Luz e Matéria

Pesquisadores da Universidade de Tsukuba, no Japão, desenvolveram uma nova abordagem computacional para simular interações entre matéria e luz em escala atômica. Essas interações entre luz e matéria são frequentemente usadas para criar tecnologias como lasers, diodos emissores de luz (LEDs) e relógios atômicos. No entanto, as abordagens computacionais existentes para modelar essas interações são frequentemente limitadas em utilidade e capacidade.

O novo estudo foi publicado em The International Journal of High Performance Computing Applications.

Método Computacional Altamente Eficiente

A pesquisa descreve um novo método altamente eficiente para simular interações entre luz e matéria em escala atômica.

Uma das razões pelas quais essas interações são tão difíceis de simular é que os fenômenos associados às interações envolvem muitas áreas diferentes da física, como a propagação de ondas de luz e a dinâmica de elétrons e íons na matéria. Outro desafio é que os fenômenos podem cobrir uma ampla gama de escalas de comprimento e tempo.

Dois Métodos Separados

A natureza multifísica e multiescala do problema significa que as interações entre luz e matéria são geralmente modeladas com dois métodos computacionais separados. O primeiro desses métodos é chamado de análise eletromagnética, e envolve os campos eletromagnéticos da luz sendo estudada. O segundo é um cálculo quântico-mecânico das propriedades ópticas da matéria.

Esses dois métodos pressupõem que os campos eletromagnéticos são fracos e há uma diferença na escala de comprimento.

O Professor Kazuhiro Yabana é o autor sênior do estudo.

“Nossa abordagem fornece uma maneira unificada e aprimorada de simular interações entre luz e matéria”, diz Yabana. “Conseguimos isso resolvendo simultaneamente três equações físicas fundamentais: a equação de Maxwell para os campos eletromagnéticos, a equação de Kohn-Sham dependente do tempo para os elétrons e a equação de Newton para os íons.”

Os pesquisadores confiaram em seu software interno SALMON (Simulador de Luz-Matéria Ab initio para Óptica e Nanociência) para implementar o método. Eles otimizaram o código de simulação do computador para maximizar seu desempenho antes de testar o código modelando interações entre luz e matéria em um filme fino de dióxido de silício amorfo. Esse filme fino de dióxido de silício amorfo consiste em mais de 10.000 átomos.

A simulação foi realizada usando quase 28.000 nós do Fugaku, que é o supercomputador mais rápido do mundo localizado no RIKEN Center for Computational Science em Kobe, Japão.

“Descobrimos que nosso código é extremamente eficiente, alcançando o objetivo de um segundo por passo de tempo do cálculo necessário para aplicações práticas”, diz o Professor Yabana. “O desempenho está próximo de seu valor máximo possível, definido pela largura de banda da memória do computador, e o código tem a propriedade desejável de excelente escalabilidade fraca.”

Essa nova abordagem pode ser usada para explorar diferentes fenômenos em óptica e fotônica em escala nanométrica.