Interacciones de luz-materia simuladas en la supercomputadora más rápida del mundo

Las interacciones luz-materia forman la base de muchas tecnologías importantes, incluidos los láseres, los diodos emisores de luz (LED) y los relojes atómicos. Sin embargo, los enfoques computacionales habituales para modelar tales interacciones tienen una utilidad y capacidad limitadas. Ahora, investigadores de Japón han desarrollado una técnica que supera estas limitaciones.

En un estudio publicado este mes en The International Journal of High Performance Computing Applications, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Tsukuba describe un método altamente eficiente para simular interacciones luz-materia a escala atómica.

¿Qué hace que estas interacciones sean tan difíciles de simular? Una razón es que los fenómenos asociados con las interacciones abarcan muchas áreas de la física, que involucran tanto la propagación de ondas de luz como la dinámica de electrones e iones en la materia. Otra razón es que tales fenómenos pueden cubrir una amplia gama de escalas de tiempo y duración.

Dada la naturaleza multifísica y multiescala del problema, las interacciones luz-materia se modelan típicamente usando dos métodos computacionales separados. El primero es el análisis electromagnético, mediante el cual se estudian los campos electromagnéticos de la luz; el segundo es un cálculo mecánico-cuántico de las propiedades ópticas de la materia. Pero estos métodos asumen que los campos electromagnéticos son débiles y que hay una diferencia en la escala de longitud.

«Nuestro enfoque proporciona una forma unificada y mejorada de simular las interacciones luz-materia», dice el autor principal del estudio, el profesor Kazuhiro 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 implementaron el método en su software interno SALMON (Simulador Escalable Ab initio Light-Matter para Óptica y Nanociencia), y optimizaron a fondo el código de la computadora de simulación para maximizar su rendimiento. Luego probaron el código modelando interacciones luz-materia en una película delgada de dióxido de silicio amorfo, compuesta por más de 10,000 átomos. Esta simulación se llevó a cabo utilizando casi 28.000 nodos de la supercomputadora más rápida del mundo, Fugaku, en el Centro RIKEN de Ciencias Computacionales en Kobe, Japón.

«Descubrimos que nuestro código es extremadamente eficiente, logrando 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 escalabilidad débil excelente».

Aunque el equipo simuló interacciones luz-materia en una película delgada en este trabajo, su enfoque podría usarse para explorar muchos fenómenos en óptica y fotónica a nanoescala.