Tương tác vật chất ánh sáng là nền tảng của nhiều công nghệ quan trọng, bao gồm laser, điốt phát quang (đèn LED) và đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, các cách tiếp cận tính toán thông thường để mô hình hóa các tương tác như vậy có tính hữu dụng và khả năng hạn chế. Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản đã phát triển một kỹ thuật khắc phục những hạn chế này.
Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng này trong Tạp chí Quốc tế về Ứng dụng Máy tính Hiệu suất Cao, một nhóm nghiên cứu do Đại học Tsukuba dẫn đầu đã mô tả một phương pháp hiệu quả cao để mô phỏng các tương tác vật chất nhẹ ở quy mô nguyên tử.
Điều gì làm cho những tương tác này rất khó để mô phỏng? Một lý do là các hiện tượng liên quan đến tương tác bao gồm nhiều lĩnh vực vật lý, liên quan đến cả sự truyền sóng ánh sáng và động lực học của các electron và ion trong vật chất. Một lý do khác là các hiện tượng như vậy có thể bao gồm một loạt các quy mô thời gian và độ dài.
Với tính chất đa vật lý và đa tỷ lệ của vấn đề, các tương tác vật chất ánh sáng thường được mô hình hóa bằng hai phương pháp tính toán riêng biệt. Đầu tiên là phân tích điện từ, theo đó các trường điện từ của ánh sáng được nghiên cứu; thứ hai là tính toán cơ lượng tử về các đặc tính quang học của vật chất. Nhưng những phương pháp này giả định rằng trường điện từ yếu và có sự khác biệt trong thang độ dài.
Giáo sư Kazuhiro Yabana, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Cách tiếp cận của chúng tôi cung cấp một cách thống nhất và cải tiến để mô phỏng các tương tác vật chất ánh sáng. “Chúng tôi đạt được kỳ tích này bằng cách giải quyết đồng thời ba phương trình vật lý quan trọng: phương trình Maxwell cho điện trườngphương trình Kohn-Sham phụ thuộc thời gian cho các electron và phương trình Newton cho các ion. ”
Các nhà nghiên cứu đã triển khai phương pháp này trong phần mềm nội bộ của họ SALMON (Bộ mô phỏng vật chất ánh sáng có thể mở rộng cho Quang học và Khoa học nano), và họ đã tối ưu hóa triệt để mã máy tính mô phỏng để tối đa hóa hiệu suất của nó. Sau đó, họ kiểm tra mã bằng cách mô hình hóa các tương tác vật chất ánh sáng trong một màng mỏng silicon dioxide vô định hình, bao gồm hơn 10.000 nguyên tử. Mô phỏng này được thực hiện bằng cách sử dụng gần 28.000 nút của siêu máy tính nhanh nhất thế giới, Fugaku, tại Trung tâm Khoa học Tính toán RIKEN ở Kobe, Nhật Bản.
Giáo sư Yabana cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng mã của chúng tôi cực kỳ hiệu quả, đạt được mục tiêu là một giây mỗi bước tính toán cần thiết cho các ứng dụng thực tế. “Hiệu suất gần với giá trị lớn nhất có thể của nó, được đặt bởi băng thông của bộ nhớ máy tính và mã có đặc tính mong muốn là khả năng mở rộng yếu tuyệt vời.”
Mặc dù nhóm mô phỏng tương tác vật chất ánh sáng trong một màng mỏng trong công trình này, cách tiếp cận của họ có thể được sử dụng để khám phá nhiều hiện tượng trong quang học và quang tử kích thước nano.
