筑波大学领导的研究人员提出了一种在原子尺度上模拟物质和光之间相互作用的改进方法。学分:筑波大学光-物质相互作用构成了许多重要技术的基础，包括激光、发光二极管和原子钟。然而，用于模拟这种相互作用的常用计算方法的实用性和能力有限。现在，来自日本的研究人员已经开发出一种克服这些限制的技术。在本月发表在《高性能计算应用国际期刊》上的一项研究中，筑波大学领导的研究小组描述了一种在原子尺度上模拟光-物质相互作用的高效方法。
是什么让这些交互如此难以模拟？一个原因是，与相互作用相关的现象涵盖了物理学的许多领域，既涉及光波的传播，也涉及电子和离子在物质中的动力学。另一个原因是，这种现象可以涵盖广泛的长度和时间尺度。
鉴于问题的多物理和多尺度性质，光-物质相互作用通常使用两种不同的计算方法来建模。第一个是电磁分析，研究光的电磁场；第二种是对物质光学性质的量子力学计算。但是这些方法假设电磁场是我们ak，并且长度尺度是不同的。
该研究的资深作者Kazuhiro Yabana教授说:“我们的方法为模拟光-物质相互作用提供了一种统一和改进的方法。我们通过同时求解三个关键的物理方程来实现这一壮举:电磁场的麦克斯韦方程、电子的时变科恩-舍姆方程和离子的牛顿方程
研究人员在其内部软件SALMON(用于光学和纳米科学的可扩展从头算光-物质模拟器)中实现了该方法，他们彻底优化了模拟计算机代码，以最大限度地提高其性能。然后，他们通过模拟由10，000多个原子组成的无定形二氧化硅薄膜中的光-物质相互作用来测试代码。这个模拟是在日本神户的RIKEN计算科学中心使用世界上最快的超级计算机Fugaku的近28，000个节点进行的。
“我们发现我们的代码极其高效，实现了实际应用所需的每计算时间步长一秒的目标，”Yabana教授说。性能接近其最大可能值，由计算机内存的带宽设置，并且代码具有出色的弱可扩展性这一理想属性
尽管该团队在这项工作中模拟了薄膜中的光-物质相互作用，但他们的方法可以用来探索纳米光学和光子学中的许多现象。
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