光与物质的相互作用构成了许多重要技术的基础，包括激光器、发光二极管（LED）和原子钟。然而，对这种相互作用进行建模的计算方法的能力有限。现在，来自日本的研究人员已经开发出一种技术，克服了这些限制。

在本月发表在《国际高性能计算应用杂志》上的一项研究中，筑波大学领导的一个研究小组描述了一种高效的方法来模拟原子尺度上的光-物质相互作用。

是什么让这些相互作用如此难以模拟？原因之一是与互动有关的现象涵盖了许多物理学领域，涉及光波的传播和物质中电子和离子的动力学。另一个原因是，这种现象的持续时间可能过长。

鉴于问题的多物理学和长时间性质，光与物质的相互作用通常使用两种独立的计算方法来建模。第一种是电磁分析，即研究光的电磁场；第二种是对物质的光学特性进行量子力学计算。但是这些方法假设电磁场是弱的，并且在长度尺度上存在差异。

该研究的高级作者Kazuhiro Yabana教授说：“我们的方法为模拟光和物质的相互作用提供了一个统一、改进的方法。我们通过同时解决三个关键的物理学方程来实现这一模拟：电磁场的麦克斯韦方程组，电子的时间依赖性Kohn-Sham方程，以及离子的牛顿方程。”

研究人员在他们的内部软件SALMON（用于光学和纳米科学的可扩展自发光物质模拟器）中测试了该方法，他们彻底优化了模拟计算机代码，使其性能最大化。然后，他们通过对由10000多个原子组成的无定形二氧化硅薄膜中的光和物质相互作用进行建模来测试该代码。这一模拟使用了位于日本神户的世界上最快的超级计算机Fugaku近28000个节点。

研究员表示：“结果表明，我们的代码非常高效。性能接近其可能的最大值，而且该代码具有出色的弱可扩展性的理想特性。”

该研究论文题为"Large-scale ab initio simulation of light–matter interaction at the atomic scale in Fugaku"，已发表在The International Journal of High Performance Computing Applications期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

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

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