Forskare utvecklar beräkningsmetod för att simulera växelverkan mellan ljus och materia

Forskare vid Universitetet i Tsukuba i Japan har utvecklat en ny beräkningsmetod för att simulera växelverkan mellan materia och ljus på atomnivå. Dessa växelverkningar används ofta för att skapa teknologier som lasrar, lysdioder (LED) och atomur. Men befintliga beräkningsmetoder för att modellera dessa växelverkningar är ofta begränsade i användbarhet och kapacitet.

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

Högpresterande beräkningsmetod

Forskningen beskriver en ny högpresterande metod för att simulera växelverkningar mellan ljus och materia på atomnivå.

En av anledningarna till att dessa växelverkningar är så svåra att simulera är att fenomenen som är förknippade med växelverkningarna omfattar många olika områden av fysik, såsom spridning av ljusvågor och dynamik av elektroner och joner i materia. En annan utmaning är att fenomenen kan täcka ett brett spektrum av längd- och tids skalor.

Två separata metoder

Den multiphysiska och multispektrala naturen av problemet innebär att växelverkningar mellan ljus och materia vanligtvis modelleras med två separata beräkningsmetoder. Den första metoden kallas elektromagnetisk analys och omfattar de elektromagnetiska fälten i ljuset som studeras. Den andra är en kvantmekanisk beräkning av de optiska egenskaperna hos materia.

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.

“Vår metod ger en enhetlig och förbättrad väg att simulera växelverkningar mellan ljus och materia”, säger Yabana. “Vi uppnår detta genom att samtidigt lösa tre nyckelfysiska ekvationer: Maxwell-ekvationen för de elektromagnetiska fälten, den tidsoberoende Kohn-Sham-ekvationen för elektronerna och Newton-ekvationen för jonerna.”

Forskarna använde sin egen programvara SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator för Optik och Nanovetenskap) för att implementera metoden. De optimerade simuleringsdatorkoden för att maximera dess prestanda innan de testade koden genom att modellera växelverkningar mellan ljus och materia i en tunn film av amorf kiseldioxid. Denna tunna film av amorf kiseldioxid består av över 10 000 atomer.

Simuleringen utfördes med hjälp av nästan 28 000 noder av Fugaku, som är världens snabbaste superdator och är belägen vid RIKEN Center for Computational Science i Kobe, Japan.

“Vi fann att vår kod är extremt effektiv och uppnår målet om en sekund per tidssteg i beräkningen som behövs för praktiska tillämpningar”, säger professor Yabana. “Prestandan är nära dess maximala möjliga värde, som bestäms av bandbredden på datorns minne, och koden har den önskvärda egenskapen av utmärkt svag skalbarhet.”

Denna nya metod kan användas för att undersöka olika fenomen inom nanoskalaoptik och fotonik.