通過世界上最快的超級計算機，科學家成功模擬光和物質的相互作用

光與物質的相互作用構成了許多重要技術的基礎，包括激光器、發光二極管（LED）和原子鐘。然而，對這種相互作用進行建模的計算方法的能力有限。現在，來自日本的研究人員已經開發出一種技術，克服了這些限制。

在本月發表在《國際高性能計算應用雜志》上的一項研究中，筑波大學領導的一個研究小組描述了一種高效的方法來模擬原子尺度上的光-物質相互作用。

是什么讓這些相互作用如此難以模擬？原因之一是與互動有關的現象涵蓋了許多物理學領域，涉及光波的傳播和物質中電子和離子的動力學。另一個原因是，這種現象的持續時間可能過長。

鑒于問題的多物理學和長時間性質，光與物質的相互作用通常使用兩種獨立的計算方法來建模。第一種是電磁分析，即研究光的電磁場；第二種是對物質的光學特性進行量子力學計算。但是這些方法假設電磁場是弱的，并且在長度尺度上存在差異。

該研究的高級作者Kazuhiro Yabana教授說：“我們的方法為模擬光和物質的相互作用提供了一個統一、改進的方法。我們通過同時解決三個關鍵的物理學方程來實現這一模擬：電磁場的麥克斯韋方程組，電子的時間依賴性Kohn-Sham方程，以及離子的牛頓方程。”

研究人員在他們的內部軟件SALMON（用于光學和納米科學的可擴展自發光物質模擬器）中測試了該方法，他們徹底優化了模擬計算機代碼，使其性能最大化。然后，他們通過對由10000多個原子組成的無定形二氧化硅薄膜中的光和物質相互作用進行建模來測試該代碼。這一模擬使用了位于日本神戶的世界上最快的超級計算機Fugaku近28000個節點。

研究員表示：“結果表明，我們的代碼非常高效。性能接近其可能的最大值，而且該代碼具有出色的弱可擴展性的理想特性。”

該研究論文題為"Large-scale ab initio simulation of light–matter interaction at the atomic scale in Fugaku"，已發表在The International Journal of High Performance Computing Applications期刊上。

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論文原文：https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/10943420211065723

標簽： 超級計算機 光和物質