Cercetătorii dezvoltă o abordare computațională pentru simularea interacțiunilor dintre lumină și materie

Cercetătorii de la Universitatea Tsukuba din Japonia au dezvoltat o nouă abordare computațională pentru simularea interacțiunilor dintre materie și lumină la scară atomică. Aceste interacțiuni lumină-materie sunt adesea utilizate pentru a crea tehnologii precum lasere, diode emițătoare de lumină (LED) și ceasuri atomice. Cu toate acestea, abordările computaționale existente pentru modelarea acestor interacțiuni sunt adesea limitate în utilitate și capacitate.

Noua studiu a fost publicat în The International Journal of High Performance Computing Applications.

Metodă computațională foarte eficientă

Cercetarea descrie o nouă metodă foarte eficientă pentru simularea interacțiunilor lumină-materie la scară atomică.

Una dintre cauzele pentru care aceste interacțiuni sunt atât de greu de simulat este faptul că fenomenele asociate cu interacțiunile implică multe domenii diferite de fizică, cum ar fi propagarea undelor luminoase și dinamica electronilor și ionilor în materie. O altă provocare este faptul că fenomenele pot acoperi o gamă largă de scară de lungime și timp.

Două metode separate

Natura multiphysică și multiscale a problemei înseamnă că interacțiunile lumină-materie sunt de obicei modelate cu două metode computaționale separate. Prima dintre aceste metode se numește analiză electromagnetică și implică câmpurile electromagnetice ale luminii studiate. A doua este o calculare cuantic-mecanică a proprietăților optice ale materiei.

Aceste două metode presupun că câmpurile electromagnetice sunt slabe și există o diferență în scara de lungime.

Profesorul Kazuhiro Yabana este autorul principal al studiului.

“Abordarea noastră oferă o metodă unificată și îmbunătățită pentru a simula interacțiunile lumină-materie,” spune Yabana. “Realizăm acest lucru prin rezolvarea simultană a trei ecuații fizice cheie: ecuația Maxwell pentru câmpurile electromagnetice, ecuația Kohn-Sham în timp pentru electroni și ecuația Newton pentru ioni.”

Cercetătorii s-au bazat pe software-ul lor intern SALMON (Simulator de lumină-materie pentru optică și nanștiință) pentru a implementa metoda. Ei au optimizat codul de simulare pentru a maximiza performanța înainte de a testa codul prin modelarea interacțiunilor lumină-materie într-un film subțire de dioxid de siliciu amorf. Acest film subțire de dioxid de siliciu amorf conține peste 10.000 de atomi.

Simularea a fost efectuată utilizând aproape 28.000 de noduri ale supercalculatorului Fugaku, care este cel mai rapid supercalculator din lume, situat la Centrul de știință computațională RIKEN din Kobe, Japonia.

“Am descoperit că codul nostru este extrem de eficient, atingând obiectivul de o secundă pe pas de calcul necesar pentru aplicații practice,” spune profesorul Yabana. “Performanța este aproape de valoarea sa maximă posibilă, stabilită de lățimea de bandă a memoriei calculatorului, și codul are proprietatea dorită de scalabilitate slabă excelentă.”

Această nouă abordare poate fi utilizată pentru a explora diferite fenomene în optică și fotonica la scară nanometrică.