研究人员开发了模拟光与物质相互作用的计算方法

日本筑波大学的研究人员开发了一种新的计算方法，用于在原子尺度上模拟物质与光之间的相互作用。 这些光与物质的相互作用通常用于创造激光、发光二极管 (LED) 和原子钟等技术。 然而，现有的用于对这些相互作用进行建模的计算方法通常在实用性和能力方面受到限制。

这项新研究发表于 国际高性能计算应用杂志. 

高效的计算方法

该研究描述了一种在原子尺度上模拟光与物质相互作用的高效新方法。 

这些相互作用如此难以模拟的原因之一是，与相互作用相关的现象涉及物理的许多不同领域，例如光波的传播以及物质中电子和离子的动力学。 另一个挑战是这些现象可能涵盖广泛的长度和时间尺度。 

两种不同的方法

该问题的多物理场和多尺度性质意味着光与物质的相互作用通常使用两种独立的计算方法进行建模。 第一种方法称为电磁分析，它涉及所研究的光的电磁场。 第二个是物质光学特性的量子力学计算。 

这两种方法都假设电磁场很弱并且长度尺度存在差异。

Kazuhiro Yabana 教授是该研究的资深作者。

“我们的方法提供了一种统一且改进的方法来模拟光与物质的相互作用，”亚巴纳说。 “我们通过同时求解三个关键物理方程来实现这一壮举：电磁场的麦克斯韦方程、电子的时间相关科恩-沙姆方程以及离子的牛顿方程。”

研究人员依靠他们的内部软件 SALMON（用于光学和纳米科学的可扩展从头算光物质模拟器）来实施该方法。 他们优化了模拟计算机代码，以最大限度地提高其性能，然后通过对非晶二氧化硅薄膜中的光与物质相互作用进行建模来测试代码。 这种非晶二氧化硅薄膜由 10,000 多个原子组成。 

该模拟是使用 Fugaku 的近 28,000 个节点进行的，Fugaku 是位于日本神户 RIKEN 计算科学中心的世界上最快的超级计算机。

“我们发现我们的代码非常高效，实现了实际应用所需的每时间步长一秒的计算目标，”Yabana 教授说。 “性能接近由计算机内存带宽设置的最大可能值，并且代码具有出色的弱可扩展性的理想特性。”

这种新方法可用于探索纳米级光学和光子学中的不同现象。