Các nhà nghiên cứu phát triển phương pháp tính toán để mô phỏng tương tác giữa ánh sáng và vật chất

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tsukuba ở Nhật Bản đã phát triển một phương pháp tính toán mới để mô phỏng tương tác giữa ánh sáng và vật chất ở quy mô nguyên tử. Những tương tác ánh sáng-vật chất này thường được sử dụng để tạo ra các công nghệ như laser, đèn LED và đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, các phương pháp tính toán hiện có để mô hình hóa những tương tác này thường bị hạn chế về tính hữu ích và khả năng.

Nghiên cứu mới này đã được công bố trên Tạp chí Quốc tế về Ứng dụng Tính toán Hiệu suất cao.

Phương pháp tính toán hiệu suất cao

Nghiên cứu mô tả một phương pháp mới hiệu suất cao để mô phỏng tương tác ánh sáng-vật chất ở quy mô nguyên tử.

Một trong những lý do những tương tác này khó mô phỏng là vì các hiện tượng liên quan đến tương tác này bao gồm nhiều lĩnh vực vật lý khác nhau, chẳng hạn như sự truyền播 của sóng ánh sáng và động lực học của electron và ion trong vật chất. Một thách thức khác là các hiện tượng này có thể bao phủ một phạm vi rộng về quy mô chiều dài và thời gian.

Hai phương pháp riêng biệt

Bản chất đa vật lý và đa quy mô của vấn đề này có nghĩa là tương tác ánh sáng-vật chất thường được mô hình hóa bằng hai phương pháp tính toán riêng biệt. Phương pháp đầu tiên được gọi là phân tích điện từ, và nó liên quan đến các trường điện từ của ánh sáng đang được nghiên cứu. Phương pháp thứ hai là một tính toán cơ học lượng tử về các tính chất quang học của vật chất.

Hai phương pháp này giả định rằng các trường điện từ là yếu và có sự khác biệt về quy mô chiều dài.

Giáo sư Kazuhiro Yabana là tác giả chính của nghiên cứu.

“Phương pháp của chúng tôi cung cấp một cách thống nhất và cải tiến để mô phỏng tương tác ánh sáng-vật chất,” Yabana nói. “Chúng tôi đạt được điều này bằng cách giải đồng thời ba phương trình vật lý quan trọng: phương trình Maxwell cho các trường điện từ, phương trình Kohn-Sham thời gian phụ thuộc cho electron và phương trình Newton cho ion.”

Các nhà nghiên cứu đã dựa vào phần mềm SALMON (Mô phỏng ánh sáng-vật chất có khả năng mở rộng cho Quang học và Khoa học Vật liệu) của họ để thực hiện phương pháp này. Họ đã tối ưu hóa mã tính toán để tối đa hóa hiệu suất trước khi kiểm tra mã bằng cách mô hình hóa tương tác ánh sáng-vật chất trong một lớp mỏng silic dioxide vô định hình. Lớp mỏng silic dioxide vô định hình này bao gồm hơn 10.000 nguyên tử.

Mô phỏng được thực hiện bằng cách sử dụng gần 28.000 nút của Fugaku, siêu máy tính nhanh nhất thế giới nằm tại Trung tâm Khoa học Máy tính RIKEN ở Kobe, Nhật Bản.

“Chúng tôi phát hiện ra rằng mã của chúng tôi cực kỳ hiệu quả, đạt được mục tiêu một giây cho mỗi bước thời gian của tính toán cần thiết cho các ứng dụng thực tế,” Giáo sư Yabana nói. “Hiệu suất gần với giá trị tối đa có thể, được đặt bởi băng thông của bộ nhớ máy tính, và mã có tính chất mong muốn của khả năng mở rộng yếu tuyệt vời.”

Phương pháp mới này có thể được sử dụng để khám phá các hiện tượng khác nhau trong quang học và photon học ở quy mô nano.