I ricercatori dell’Università di Tsukuba in Giappone hanno sviluppato un nuovo approccio computazionale per simulare le interazioni tra materia e luce su scala atomica. Queste interazioni luce-materia vengono spesso utilizzate per creare tecnologie come laser, diodi a emissione di luce (LED) e orologi atomici. Tuttavia, gli approcci computazionali esistenti per la modellazione di queste interazioni sono spesso limitati in termini di utilità e capacità.
Il nuovo studio è stato pubblicato su The International Journal of High Performance Computing Applications .
Metodo computazionale altamente efficiente
La ricerca descrive un nuovo metodo altamente efficiente per simulare le interazioni luce-materia su scala atomica.
Uno dei motivi per cui queste interazioni sono così difficili da simulare è che i fenomeni associati alle interazioni coinvolgono molte aree diverse della fisica, come la propagazione delle onde luminose e la dinamica degli elettroni e degli ioni nella materia. Un’altra sfida è che i fenomeni possono coprire un’ampia gamma di lunghezze e scale temporali.
Due metodi separati
La natura multifisica e multiscala del problema significa che le interazioni luce-materia sono solitamente modellate con due metodi computazionali separati. Il primo di questi metodi è chiamato analisi elettromagnetica e coinvolge i campi elettromagnetici della luce studiata. Il secondo è un calcolo quantomeccanico delle proprietà ottiche della materia.
Questi due metodi presuppongono che i campi elettromagnetici siano deboli e che vi sia una differenza nella scala delle lunghezze.
Il professor Kazuhiro Yabana è autore senior dello studio.
“Il nostro approccio fornisce un modo unificato e migliorato per simulare le interazioni luce-materia”, afferma Yabana. “Otteniamo questa impresa risolvendo contemporaneamente tre equazioni fisiche chiave: l’equazione di Maxwell per i campi elettromagnetici, l’equazione di Kohn-Sham dipendente dal tempo per gli elettroni e l’equazione di Newton per gli ioni”.
I ricercatori si sono affidati al loro software interno SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience) per implementare il metodo. Hanno ottimizzato il codice del computer di simulazione per massimizzarne le prestazioni prima di testare il codice modellando le interazioni luce-materia in un film sottile di biossido di silicio amorfo. Questo film sottile di biossido di silicio amorfo è costituito da oltre 10.000 atomi.
La simulazione è stata eseguita utilizzando quasi 28.000 nodi di Fugaku, che è il supercomputer più veloce al mondo situato presso il RIKEN Center for Computational Science di Kobe, in Giappone.
“Abbiamo scoperto che il nostro codice è estremamente efficiente, raggiungendo l’obiettivo di un secondo per passo temporale del calcolo necessario per le applicazioni pratiche”, afferma il professor Yabana. “Le prestazioni sono vicine al valore massimo possibile, stabilito dalla larghezza di banda della memoria del computer, e il codice ha la proprietà desiderabile di un’eccellente scalabilità debole”.
Questo nuovo approccio potrebbe essere utilizzato per esplorare diversi fenomeni nell’ottica e nella fotonica su scala nanometrica.
