Araştırmacılar Işık-Madde Etkileşimlerini Simüle Etmek İçin Hesaplamalı Yaklaşım Geliştirdi

Japonya’da Tsukuba Üniversitesi’nden araştırmacılar, atomik ölçekte ışık-madde etkileşimlerini simüle etmek için yeni bir hesaplamalı yaklaşım geliştirdiler. Bu ışık-madde etkileşimleri, lazerler, ışık yayan diyotlar (LED’ler) ve atomik saatler gibi teknolojilerin oluşturulmasında sıklıkla kullanılır. Ancak, bu etkileşimleri modellemek için mevcut hesaplamalı yaklaşimler genellikle sınırlı fayda ve yetenektedir.

Yeni çalışma Uluslararası Yüksek Performanslı Bilgisayar Uygulamaları Dergisi‘nde yayımlandı.

Yüksek Verimli Hesaplamalı Yöntem

Araştırma, atomik ölçekte ışık-madde etkileşimlerini simüle etmek için yeni bir yüksek verimli yöntem tanımlar.

Bu etkileşimlerin simülasyonunu zorlaştıran nedenlerden biri, ilgili olguların ışık dalgalarının yayılması ile maddedeki elektron ve iyonların dinamiği gibi farklı fizik alanlarını kapsamasıdır. Diğer bir zorluk da olguların çok geniş uzunluk ve zaman ölçeklerini kapsayabilmesidir.

İki Ayrı Yöntem

Çoklu fizik ve çoklu ölçekli doğası nedeniyle, ışık-madde etkileşimleri genellikle iki ayrı hesaplamalı yöntem kullanılarak modellenir. İlk yöntem, incelenen ışığın elektromanyetik alanlarını içeren elektromanyetik analizdir. İkincisi, maddenin optik özelliklerinin kuantum mekanik hesaplamasıdır.

Bu iki yöntem, elektromanyetik alanların zayıf olduğunu ve uzunluk ölçeğinde bir fark olduğunu varsayar.

Profesör Kazuhiro Yabana, çalışmanın kıdemli yazarıdır.

“Yaklaşımımız, ışık-madde etkileşimlerini simüle etmek için birleşik ve geliştirilmiş bir yol sağlar” diyor Yabana. “Bu başarıyı, üç temel fizik denklemi aynı anda çözerek gerçekleştiriyoruz: elektromanyetik alanlar için Maxwell denklemi, elektronlar için zaman bağımlı Kohn-Sham denklemi ve iyonlar için Newton denklemi.”

Araştırmacılar, yöntemi uygulamak için kendi yazılımları SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience)’u kullandılar. Simülasyon bilgisayar kodunu en iyi performansını elde etmek için optimize ettiler ve ardından amorf silikon dioksit ince filmdeki ışık-madde etkileşimlerini modelleyerek kodu test ettiler. Bu amorf silikon dioksit ince filmi 10.000’den fazla atomdan oluşur.

Simülasyon, Kobe, Japonya’da bulunan RIKEN Merkezi için Bilgisayar Bilimi’nde bulunan dünyanın en hızlı süperbilgisayarı Fugaku’nun yaklaşık 28.000 düğümünü kullanarak gerçekleştirildi.

“Kodumuzun son derece verimli olduğunu ve pratik uygulamalar için gerekli olan, hesaplamanın her zaman adımını bir saniyede tamamlama hedefine ulaştığını gördük” diyor Profesör Yabana. “Performans, bilgisayar belleğinin bant genişliği tarafından belirlenen maksimum olası değerine yakındır ve kod, mükemmel zayıf ölçeklenebilirlik özelliği sahiptir.”

Bu yeni yaklaşım, nanoscale optik ve fotonikte farklı fenomenleri keşfetmek için kullanılabilir.