นักวิจัยพัฒนาแนวทางคำนวณเพื่อจำลองปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงกับสสาร

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสึกูบะในญี่ปุ่นได้พัฒนาแนวทางคำนวณใหม่สำหรับการจำลองการโต้ตอบระหว่างแสงและสสารที่ระดับอะตอม การโต้ตอบระหว่างแสงและสสารเหล่านี้มักถูกใช้ในการสร้างเทคโนโลยี เช่น เลเซอร์ ดิโอดเปล่งแสง (LED) และนาฬิกาอะตอม อย่างไรก็ตาม แนวทางคำนวณที่มีอยู่สำหรับการสร้างแบบจำลองการโต้ตอบเหล่านี้มักมีข้อจำกัดในความมีประโยชน์และความสามารถ

การศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ใน วารสารระหว่างประเทศว่าด้วยการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ประสิทธิภาพสูง

วิธีการคำนวณที่มีประสิทธิภาพสูง

การวิจัยอธิบายวิธีการใหม่ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการจำลองการโต้ตอบระหว่างแสงและสสารที่ระดับอะตอม

หนึ่งในสาเหตุที่การโต้ตอบเหล่านี้ยากต่อการจำลองคือว่าปรากฏการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการโต้ตอบเหล่านี้เกี่ยวข้องกับหลายสาขาของฟิสิกส์ เช่น การแพร่กระจายของคลื่นแสงและการเคลื่อนไหวของอิเล็กตรอนและไอออนในสสาร อีกความท้าทายหนึ่งคือว่าปรากฏการณ์เหล่านี้สามารถครอบคลุมช่วงความยาวและช่วงเวลาที่หลากหลาย

สองวิธีที่แยกจากกัน

ลักษณะหลายฟิสิกส์และหลายขนาดของปัญหาหมายความว่าการโต้ตอบระหว่างแสงและสสารมักถูกสร้างแบบจำลองด้วยวิธีการคำนวณสองวิธีที่แยกจากกัน วิธีการแรกเรียกว่าการวิเคราะห์แม่เหล็กไฟฟ้า และเกี่ยวข้องกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของแสง วิธีที่สองคือการคำนวณเชิงกลศาสตร์ควอนตัมของสมบัติทางแสงของสสาร

สองวิธีนี้สมมติว่าสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นแบบอ่อนและความแตกต่างในขนาดความยาว

ศาสตราจารย์ Kazuhiro Yabana เป็นผู้เขียนอาวุโสของการศึกษา

“แนวทางของเราให้วิธีการที่เป็นเอกภาพและดีขึ้นในการจำลองการโต้ตอบระหว่างแสงและสสาร” Yabana กล่าว “เราทำสิ่งนี้โดยการแก้สมการฟิสิกส์สามประการที่สำคัญพร้อมกัน: สมการแมกซ์เวลล์สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้า สมการโคห์น–ชามที่ขึ้นกับเวลาสำหรับอิเล็กตรอน และสมการนิวตันสำหรับไอออน”

นักวิจัยอาศัยซอฟต์แวร์ที่ทีมพัฒนาขึ้นเอง SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) เพื่อใช้วิธีการนี้ พวกเขาออกแบบซอฟต์แวร์ให้มีประสิทธิภาพสูงสุดก่อนทดสอบโค้ดโดยการสร้างแบบจำลองการโต้ตอบระหว่างแสงและสสารในฟิล์มบางของซิลิกอนไดออกไซด์แบบแอมอร์ฟัส ฟิล์มบางของซิลิกอนไดออกไซด์แบบแอมอร์ฟัสประกอบด้วยอะตอมมากกว่า 10,000 อะตอม

การจำลองนี้ได้รับการดำเนินการโดยใช้โหนดเกือบ 28,000 โหนดของ Fugaku ซึ่งเป็นซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่เร็วที่สุดในโลกที่ตั้งอยู่ที่ศูนย์วิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ RIKEN ในโคเบะ ประเทศญี่ปุ่น

“เราพบว่าโค้ดของเรามีประสิทธิภาพสูงมาก โดยบรรลุเป้าหมายหนึ่งวินาทีต่อขั้นตอนการคำนวณที่จำเป็นสำหรับการใช้งานจริง” ศาสตราจารย์ Yabana กล่าว “ประสิทธิภาพนี้ใกล้เคียงกับค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ ซึ่งกำหนดโดยแบนด์วิธของหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ และโค้ดมีคุณสมบัติที่ต้องการของความสามารถในการขยายขนาดแบบ weak scaling ที่ดีเยี่ยม”

แนวทางใหม่นี้สามารถใช้เพื่อสำรวจปรากฏการณ์ต่างๆ ในออปติกส์และฟิสิกส์ฟูโตนิกส์ที่ระดับนาโน