研究人员开发用于模拟光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，用于模拟原子尺度上物质和光之间的相互作用。这些光物质相互作用通常用于创建诸如激光、发光二极管（LED）和原子钟等技术。然而，现有的用于模拟这些相互作用的计算方法通常受到限制，功能和实用性有限。

该研究发表在 高性能计算应用国际杂志上。

高效计算方法

该研究描述了一种新的高效方法，用于模拟原子尺度上的光物质相互作用。

这些相互作用之所以难以模拟，是因为与这些相互作用相关的现象涉及多个物理学领域，例如光波的传播和物质中电子和离子的动力学。另一个挑战是这些现象可以覆盖广泛的长度和时间尺度。

两种独立方法

该问题的多物理和多尺度性质意味着光物质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，涉及被研究的光的电磁场。第二种方法是物质的光学性质的量子力学计算。

这两种方法假设电磁场是弱的，并且存在长度尺度的差异。

矢花一浩教授是该研究的首席作者。

“我们的方法提供了一种统一和改进的方式来模拟光物质相互作用，”矢花说。“我们通过同时解决三个关键的物理方程来实现这一点：电磁场的麦克斯韦方程，电子的时间依赖柯恩-沙姆方程和离子的牛顿方程。”

研究人员使用他们的内部软件SALMON（Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience）来实现该方法。他们优化了模拟计算机代码以最大限度地提高其性能，然后通过模拟光物质相互作用在一薄层无定形二氧化硅中测试了代码，该薄层含有超过10,000个原子。

模拟使用了日本神户理化学研究所的世界上最快的超级计算机Fugaku的近28,000个节点进行。

“我们发现我们的代码非常高效，达到了一秒钟每时间步的计算目标，这对于实际应用是必要的，”矢花教授说。“性能接近其最大可能值，该值由计算机内存的带宽决定，并且代码具有良好的弱可扩展性。”

这种新方法可以用于探索纳米光学和光子学中的不同现象。