Interactions lumière-matière simulées sur le supercalculateur le plus rapide du monde

Interactions lumière-matière simulées sur le supercalculateur le plus rapide du monde

Des chercheurs dirigés par l’Université de Tsukuba présentent un moyen amélioré de modéliser les interactions entre la matière et la lumière à l’échelle atomique. Crédit : Université de Tsukuba

Les interactions lumière-matière constituent la base de nombreuses technologies importantes, notamment les lasers, les diodes électroluminescentes (DEL) et les horloges atomiques. Cependant, les approches informatiques habituelles pour modéliser de telles interactions ont une utilité et une capacité limitées. Aujourd’hui, des chercheurs japonais ont mis au point une technique qui surmonte ces limitations.

Dans une étude publiée ce mois-ci dans The International Journal of High Performance Computing Applications, une équipe de recherche dirigée par l’Université de Tsukuba décrit une méthode très efficace pour simuler les interactions lumière-matière à l’échelle atomique.

Qu’est-ce qui rend ces interactions si difficiles à simuler ? L’une des raisons est que les phénomènes associés aux interactions englobent de nombreux domaines de la physique, impliquant à la fois la propagation des ondes lumineuses et la dynamique des électrons et des ions dans la matière. Une autre raison est que de tels phénomènes peuvent couvrir une large gamme d’échelles de durée et de temps.

Compte tenu de la nature multiphysique et multi-échelle du problème, les interactions lumière-matière sont généralement modélisées à l’aide de deux méthodes de calcul distinctes. La première est l’analyse électromagnétique, par laquelle les champs électromagnétiques de la lumière sont étudiés ; le second est un calcul quantique des propriétés optiques de la matière. Mais ces méthodes supposent que les champs électromagnétiques sont faibles et qu’il y a une différence dans l’échelle de longueur.

« Notre approche fournit un moyen unifié et amélioré de simuler les interactions lumière-matière », explique le professeur Kazuhiro Yabana, auteur principal de l’étude. « Nous réalisons cet exploit en résolvant simultanément trois équations physiques clés : l’équation de Maxwell pour les champs électromagnétiques, l’équation de Kohn-Sham dépendante du temps pour les électrons et l’équation de Newton pour les ions. »

Les chercheurs ont mis en œuvre la méthode dans leur logiciel interne SALMON (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience), et ils ont optimisé en profondeur le code informatique de simulation pour maximiser ses performances. Ils ont ensuite testé le code en modélisant les interactions lumière-matière dans un film mince de dioxyde de silicium amorphe, composé de plus de 10 000 atomes. Cette simulation a été réalisée à l’aide de près de 28 000 nœuds du supercalculateur le plus rapide au monde, Fugaku, au RIKEN Center for Computational Science de Kobe, au Japon.

« Nous avons constaté que notre code est extrêmement efficace, atteignant l’objectif d’une seconde par pas de temps du calcul qui est nécessaire pour les applications pratiques », explique le professeur Yabana. « Les performances sont proches de sa valeur maximale possible, définie par la bande passante de la mémoire de l’ordinateur, et le code a la propriété souhaitable d’une excellente évolutivité faible. »

Bien que l’équipe ait simulé les interactions lumière-matière dans un film mince dans ce travail, leur approche pourrait être utilisée pour explorer de nombreux phénomènes en optique et photonique à l’échelle nanométrique.


Des chercheurs réalisent la première simulation quantique de baryons


Plus d’information:
Yuta Hirokawa et al, Simulation ab initio à grande échelle de l’interaction lumière-matière à l’échelle atomique à Fugaku, Le Journal International des Applications de Calcul Haute Performance (2022). DOI : 10.1177/10943420211065723

Fourni par l’Université de Tsukuba

Citation: Interactions lumière-matière simulées sur le supercalculateur le plus rapide du monde (2022, 6 janvier) récupéré le 6 janvier 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-01-light-matter-interactions-simulated-world-fastest.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.