Дослідники розробили обчислювальний підхід для моделювання взаємодії світла та матерії

Дослідники університету Цукуба в Японії розробили новий обчислювальний підхід для моделювання взаємодії між матерією та світлом на атомному рівні. Ці взаємодії між світлом та матерією часто використовуються для створення технологій, таких як лазери, світлодіоди (LED) та атомні годинники. Однак існуючі обчислювальні підходи для моделювання цих взаємодій часто обмежені в корисності та можливостях.

Нове дослідження було опубліковано в Міжнародному журналі високопродуктивних обчислень.

Високоефективний обчислювальний метод

Дослідження описує новий високоефективний метод для моделювання взаємодії між світлом та матерією на атомному рівні.

Одна з причин, чому ці взаємодії так важко моделювати, полягає в тому, що явища, пов’язані з цими взаємодіями, включають багато різних областей фізики, таких як поширення світлових хвиль та динаміка електронів та іонів у матеріалі. Інша проблема полягає в тому, що ці явища можуть охоплювати широкий діапазон масштабів довжини та часу.

Два окремі методи

Мультифізична та багатомасштабна природа проблеми означає, що взаємодії між світлом та матерією зазвичай моделюються двома окремими обчислювальними методами. Перший із цих методів називається електромагнітним аналізом та включає електромагнітні поля світла, яке вивчається. Другий – це квантова механічна розрахунок оптичних властивостей матеріалу.

Ці два методи припускають, що електромагнітні поля слабкі та існує різниця в масштабі довжини.

Професор Казухіро Ябана – старший автор дослідження.

“Наш підхід забезпечує єдиний та покращений спосіб моделювання взаємодії між світлом та матерією”, – говорить Ябана. “Ми досягаємо цього завдяки одночасному розв’язанню трьох ключових фізичних рівнянь: рівняння Максвелла для електромагнітних полів, часового залежного рівняння Кона-Шема для електронів та рівняння Ньютона для іонів.”

Дослідники використовували свій внутрішній програмний продукт SALMON (Масштабований аб-ініціо-симулятор світла та матерії для оптики та нанонауки), щоб реалізувати цей метод. Вони оптимізували код симуляції, щоб максимізувати його продуктивність, перш ніж протестувати код, моделюючи взаємодії між світлом та матерією в тонкій плівці аморфного діоксиду кремнію. Ця тонка плівка аморфного діоксиду кремнію складається з понад 10 000 атомів.

Симуляцію проводили на майже 28 000 вузлах Фугаку, який є найшвидшим суперкомп’ютером у світі, розташованим в Центрі обчислювальної науки RIKEN у Кобе, Японія.

“Ми виявили, що наш код надзвичайно ефективний, досягнувши мети одного секунди на розрахунок часу, необхідного для практичних застосунків”, – говорить професор Ябана. “Продуктивність близька до максимально можливої величини, встановленої пропускною здатністю комп’ютерної пам’яті, а код має бажану властивість відмінної слабкої масштабованості.”

Цій новий підхід можна використовувати для дослідження різних явищ у наномасти оптиці та фотоніці.