Исследователи разработали вычислительный подход для симуляции взаимодействия света и материи

Исследователи из Университета Цукубы в Японии разработали новый вычислительный подход для симуляции взаимодействия между материей и светом на атомном уровне. Эти взаимодействия между светом и материей часто используются для создания технологий, таких как лазеры, светодиоды (LED) и атомные часы. Однако существующие вычислительные подходы для моделирования этих взаимодействий часто ограничены в полезности и возможностях.

Новое исследование было опубликовано в Международном журнале высокопроизводительных вычислительных приложений.

Высокоэффективный вычислительный метод

Исследование описывает новый высокоэффективный метод для симуляции взаимодействия между светом и материей на атомном уровне.

Одной из причин, почему эти взаимодействия так трудно симулировать, является то, что явления, связанные с этими взаимодействиями, включают многие разные области физики, такие как распространение световых волн и динамика электронов и ионов в материале. Другой проблемой является то, что эти явления могут охватывать широкий диапазон масштабов длины и времени.

Два отдельных метода

Мультифизическая и многоуровневая природа проблемы означает, что взаимодействия между светом и материей обычно моделируются двумя отдельными вычислительными методами. Первый из этих методов называется электромагнитным анализом и включает электромагнитные поля света, который изучается. Второй – это квантово-механический расчет оптических свойств материала.

Эти два метода предполагают, что электромагнитные поля слабые и существует разница в масштабе длины.

Профессор Кадзуhiro Ябана является старшим автором исследования.

“Наш подход обеспечивает унифицированный и улучшенный способ симуляции взаимодействия между светом и материей”, – говорит Ябана. “Мы достигаем этого, одновременно решая три ключевых физических уравнения: уравнение Максвелла для электромагнитных полей, уравнение Кона-Шэма для электронов и уравнение Ньютона для ионов.”

Исследователи полагались на свою внутреннюю программу SALMON (Масштабируемый аб-инитио-симулятор света и материи для оптики и нанонауки), чтобы реализовать этот метод. Они оптимизировали код симуляции, чтобы максимизировать его производительность, прежде чем протестировать код, моделируя взаимодействие между светом и материей в тонкой пленке аморфного диоксида кремния. Эта тонкая пленка аморфного диоксида кремния состоит из более 10 000 атомов.

Симуляция была проведена с использованием почти 28 000 узлов Fugaku, который является самым быстрым суперкомпьютером в мире, расположенным в Центре вычислительной науки RIKEN в Кобе, Япония.

“Мы обнаружили, что наш код чрезвычайно эффективен, достигая цели одного секунды на шаг расчета, который необходим для практических применений”, – говорит профессор Ябана. “Производительность близка к своему максимально возможному значению, установленному пропускной способностью компьютерной памяти, и код имеет желательное свойство отличной слабой масштабируемости.”

Этот новый подход может быть использован для изучения различных явлений в оптике и фотонике на наномасштабе.