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光与物质的相互作用是与物理和化学科学以及光学和电气工程相关的一个重要课题。20世纪60年代早期激光的发明导致了这些领域的几项创新。从那时起，激光技术朝着各个方向发展。在光学科学领域，使用超短脉冲光在原子尺度上观察和操纵物质变得越来越重要。
光-物质相互作用很难模拟，因为与光-物质交互作用相关的现象本质上是多物理现象，涉及光波的传播以及物质中电子和离子的动力学。涉及三个物理定律：光场的电磁学、电子的量子力学和离子运动的牛顿力学。现在，在《高性能计算应用国际期刊》上发表的一项研究中，筑波大学领导的一个研究团队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。
由于问题的多物理和多尺度性质，已经开发了两种单独的计算方法。第一种是电磁分析，其中物质被视为连续介质，第二种是材料光学性质的从头计算量子力学计算。这两种方法假设光场的弱点（量子力学中的微扰理论）和长度尺度的差异（宏观电磁学）。然而，这些传统计算方法的有用性和能力在当前的研究中受到限制。“我们的方法提供了一种统一和改进的方法来模拟轻物质相互作用，”该研究的资深作者YabanaKazuhiro教授说。“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、电子的时间依赖性Kohn Sham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计算光物质模拟器）中实现了该方法。他们彻底优化了模拟计算机代码，以使其性能最大化。然后，他们通过在由10000多个原子组成的非晶二氧化硅薄膜中模拟光与物质的相互作用来测试代码。这一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28000个节点进行的。
亚巴纳教授说：“我们发现我们的代码非常高效，实现了实际应用所需的计算每一时间步一秒的目标。”。性能接近计算机内存带宽所设定的最大可能值，代码具有良好的弱可扩展性
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于探索纳米级光学和光子学中的许多现象。
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