Forskare utvecklar beräkningsmetod för att simulera ljus-materia-interaktioner

Forskare vid University of Tsukuba i Japan har utvecklat en ny beräkningsmetod för att simulera interaktioner mellan materia och ljus i atomär skala. Dessa ljus-materia-interaktioner används ofta för att skapa teknologier som lasrar, lysdioder (LED) och atomur. Men befintliga beräkningsmetoder för modellering av dessa interaktioner är ofta begränsade i användbarhet och förmåga.

Den nya studien publicerades i International Journal of High Performance Computing Applications. 

Mycket effektiv beräkningsmetod

Forskningen beskriver en ny högeffektiv metod för att simulera ljus-materia-interaktioner på atomär skala. 

En av anledningarna till att dessa interaktioner är så svåra att simulera är att de fenomen som är förknippade med interaktionerna involverar många olika fysikområden, såsom utbredning av ljusvågor och dynamiken hos elektroner och joner i materien. En annan utmaning är att fenomenen kan täcka ett brett spektrum av längd- och tidsskalor. 

Två separata metoder

Problemets multifysik och flerskaliga karaktär gör att ljus-materia-interaktioner vanligtvis modelleras med två separata beräkningsmetoder. Den första av dessa metoder kallas elektromagnetisk analys, och den involverar de elektromagnetiska fälten i ljuset som studeras. Den andra är en kvantmekanisk beräkning av materiens optiska egenskaper. 

Dessa två metoder förutsätter att de elektromagnetiska fälten är svaga och att det finns en skillnad i längdskalan.

Professor Kazuhiro Yabana är senior författare till studien.

"Vårt tillvägagångssätt ger ett enhetligt och förbättrat sätt att simulera ljus-materia-interaktioner", säger Yabana. "Vi uppnår denna bedrift genom att samtidigt lösa tre fysikaliska ekvationer: Maxwell-ekvationen för de elektromagnetiska fälten, den tidsberoende Kohn-Sham-ekvationen för elektronerna och Newtonsekvationen för jonerna."

Forskarna förlitade sig på sin interna programvara SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) för att implementera metoden. De optimerade simuleringsdatorkoden för att maximera dess prestanda innan de testade koden genom att modellera ljus-materia-interaktioner i en tunn film av amorf kiseldioxid. Denna tunna film av amorf kiseldioxid består av över 10,000 XNUMX atomer. 

Simuleringen utfördes med hjälp av nästan 28,000 XNUMX noder av Fugaku, som är den snabbaste superdatorn i världen som ligger vid RIKEN Center for Computational Science i Kobe, Japan.

"Vi fann att vår kod är extremt effektiv och uppnår målet på en sekund per tidssteg av beräkningen som behövs för praktiska tillämpningar", säger professor Yabana. "Prestandan är nära sitt maximalt möjliga värde, satt av bandbredden på datorminnet, och koden har den önskvärda egenskapen utmärkt svag skalbarhet."

Detta nya tillvägagångssätt skulle kunna användas för att utforska olika fenomen inom nanoskala optik och fotonik.