Investigadores de la Universidad de Tsukuba en Japón han desarrollado un nuevo enfoque computacional para simular interacciones entre la materia y la luz a escala atómica. Estas interacciones luz-materia se utilizan a menudo para crear tecnologías como láseres, diodos emisores de luz (LED) y relojes atómicos. Sin embargo, los enfoques computacionales existentes para modelar estas interacciones a menudo tienen una utilidad y capacidad limitadas.
El nuevo estudio fue publicado en Revista internacional de aplicaciones informáticas de alto rendimiento.
Método computacional altamente eficiente
La investigación describe un nuevo método altamente eficiente para simular interacciones luz-materia a escala atómica.
Una de las razones por las que estas interacciones son tan difíciles de simular es que los fenómenos asociados con las interacciones involucran muchas áreas diferentes de la física, como la propagación de ondas de luz y la dinámica de electrones e iones en la materia. Otro desafío es que los fenómenos pueden cubrir una amplia gama de escalas de longitud y tiempo.
Dos métodos separados
La naturaleza multifísica y multiescala del problema significa que las interacciones luz-materia generalmente se modelan con dos métodos computacionales separados. El primero de estos métodos se denomina análisis electromagnético e involucra los campos electromagnéticos de la luz que se estudia. El segundo es un cálculo mecánico-cuántico de las propiedades ópticas de la materia.
Estos dos métodos asumen que los campos electromagnéticos son débiles y hay una diferencia en la escala de longitud.
El profesor Kazuhiro Yabana es el autor principal del estudio.
“Nuestro enfoque proporciona una forma unificada y mejorada de simular las interacciones luz-materia”, dice Yabana. “Logramos esta hazaña resolviendo simultáneamente tres ecuaciones físicas clave: la ecuación de Maxwell para los campos electromagnéticos, la ecuación de Kohn-Sham dependiente del tiempo para los electrones y la ecuación de Newton para los iones”.
Los investigadores confiaron en su software interno SALMON (Simulador escalable ab initio de materia ligera para óptica y nanociencia) para implementar el método. Optimizaron el código informático de simulación para maximizar su rendimiento antes de probar el código mediante el modelado de interacciones luz-materia en una película delgada de dióxido de silicio amorfo. Esta fina película de dióxido de silicio amorfo consta de más de 10.000 átomos.
La simulación se llevó a cabo utilizando casi 28 000 nodos de Fugaku, que es la supercomputadora más rápida del mundo ubicada en el Centro RIKEN para Ciencias Computacionales en Kobe, Japón.
“Descubrimos que nuestro código es extremadamente eficiente y logra el objetivo de un segundo por paso de tiempo del cálculo que se necesita para aplicaciones prácticas”, dice el profesor Yabana. “El rendimiento está cerca de su valor máximo posible, establecido por el ancho de banda de la memoria de la computadora, y el código tiene la propiedad deseable de una excelente escalabilidad débil”.
Este nuevo enfoque podría utilizarse para explorar diferentes fenómenos en óptica y fotónica a nanoescala.