Výskumníci vyvíjajú výpočtový prístup na simuláciu interakcií svetla a hmoty

Výskumníci z University of Tsukuba v Japonsku vyvinuli nový výpočtový prístup na simuláciu interakcií medzi hmotou a svetlom v atómovom meradle. Tieto interakcie svetla a hmoty sa často používajú na vytváranie technológií, ako sú lasery, diódy vyžarujúce svetlo (LED) a atómové hodiny. Existujúce výpočtové prístupy na modelovanie týchto interakcií sú však často obmedzené z hľadiska užitočnosti a schopností.

Nová štúdia bola publikovaná v r International Journal of High Performance Computing Applications. 

Vysoko efektívna výpočtová metóda

Výskum popisuje novú vysoko efektívnu metódu na simuláciu interakcií svetla a hmoty v atómovom meradle. 

Jedným z dôvodov, prečo je také ťažké simulovať tieto interakcie, je to, že javy spojené s interakciami zahŕňajú mnoho rôznych oblastí fyziky, ako je šírenie svetelných vĺn a dynamika elektrónov a iónov v hmote. Ďalšou výzvou je, že javy môžu pokryť široký rozsah dĺžok a časových rozsahov. 

Dve samostatné metódy

Multifyzika a multiškálová povaha problému znamená, že interakcie svetla a hmoty sa zvyčajne modelujú pomocou dvoch samostatných výpočtových metód. Prvá z týchto metód sa nazýva elektromagnetická analýza a zahŕňa elektromagnetické polia skúmaného svetla. Druhým je kvantovo-mechanický výpočet optických vlastností hmoty. 

Tieto dve metódy predpokladajú, že elektromagnetické polia sú slabé a existuje rozdiel v dĺžkovej škále.

Profesor Kazuhiro Yabana je hlavným autorom štúdie.

„Náš prístup poskytuje jednotný a vylepšený spôsob simulácie interakcií svetla a hmoty,“ hovorí Yabana. "Tento čin dosahujeme súčasným riešením troch kľúčových fyzikálnych rovníc: Maxwellovej rovnice pre elektromagnetické polia, časovo závislej Kohn-Shamovej rovnice pre elektróny a Newtonovej rovnice pre ióny."

Výskumníci sa pri implementácii metódy spoliehali na svoj vlastný softvér SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoveda). Pred testovaním kódu optimalizovali simulačný počítačový kód, aby maximalizovali jeho výkon modelovaním interakcií svetla a hmoty v tenkom filme amorfného oxidu kremičitého. Tento tenký film amorfného oxidu kremičitého pozostáva z viac ako 10,000 XNUMX atómov. 

Simulácia bola vykonaná pomocou takmer 28,000 XNUMX uzlov Fugaku, ktorý je najrýchlejším superpočítačom na svete umiestneným v RIKEN Center for Computational Science v Kobe v Japonsku.

„Zistili sme, že náš kód je mimoriadne efektívny a dosahuje cieľ jednej sekundy na časový krok výpočtu, ktorý je potrebný pre praktické aplikácie,“ hovorí profesor Yabana. "Výkon je blízko k maximálnej možnej hodnote, ktorá je nastavená šírkou pásma pamäte počítača, a kód má požadovanú vlastnosť vynikajúcej slabej škálovateľnosti."

Tento nový prístup by sa mohol použiť na skúmanie rôznych javov v optike a fotonike nanometrov.