Interações luz-matéria são simuladas pelo supercomputador mais rápido do mundo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/02/2022

A interação da luz com a matéria está na base de algumas mais importantes tecnologias da atualidade.
[Imagem: University of Tsukuba]

Multifísica e multiescala

As interações entre a luz e a matéria estão na base de muitas tecnologias importantes, incluindo lasers, diodos emissores de luz (LEDs) e relógios atômicos.

Para melhorar essas tecnologias e desenvolver novas, é necessário estudar o que acontece com cada comprimento de onda da luz atingindo cada tipo de material. Esta seria uma tarefa virtualmente impossível de se fazer na prática, testando material por material.

A saída é usar simuladores, programas de computador que modelam as interações entre os fótons e os átomos, indicando os melhores caminhos, que então serão testados na prática.

O problema é que essas interações entre luz e matéria são extremamente difíceis de simular.

Uma das razões para isso é que os fenômenos associados às interações abrangem muitas áreas da física, envolvendo tanto a propagação de ondas de luz quanto a dinâmica dos elétrons e dos íons na matéria. Outra razão é que esses fenômenos podem abranger uma ampla faixa de duração e escalas de tempo.

Dada a natureza multifísica e multiescala do problema, as interações luz-matéria têm sido tipicamente modeladas usando duas técnicas computacionais separadas. A primeira é a análise eletromagnética, onde se estudam os campos eletromagnéticos da luz; o segundo é um cálculo da mecânica quântica das propriedades ópticas da matéria. O problema é que esses métodos assumem que os campos eletromagnéticos são fracos e que há uma diferença na escala de comprimento.

Agora, pesquisadores do Japão finalmente desenvolveram uma técnica que supera tantos problemas e limitações.

(a) Configuração atômica e área da caixa adotadas na simulação. (b) Densidade eletrônica no estado fundamental em torno da superfície superior. (c) Mudança de densidade eletrônica durante a irradiação do pulso de laser.
[Imagem: Yuta Hirokawa et al. - 10.1177/10943420211065723]

Simulação da interação luz-matéria

Yuta Hirokawa e seus colegas da Universidade de Tsukuba desenvolveram um método altamente eficiente para simular interações luz-matéria em escala atômica em uma única passada.

"Nossa abordagem fornece uma maneira unificada e aprimorada de simular interações luz-matéria," disse o professor Kazuhiro Yabana, coordenador da equipe. "Conseguimos essa façanha resolvendo simultaneamente três equações fundamentais da física: a equação de Maxwell para os campos eletromagnéticos, a equação de Kohn-Sham dependente do tempo para os elétrons e a equação de Newton para os íons."

O método foi implementado em um software feito pela própria equipe, batizado de Salmon (Scalable Ab initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience), e que já passou por um processo de otimização do código para maximizar seu desempenho.

A equipe então testou o simulador modelando interações luz-matéria em um filme fino de dióxido de silício amorfo, composto por cerca de 10.000 átomos. Esta simulação foi realizada usando quase 28.000 nós do supercomputador mais rápido do mundo, o Fugaku, no Centro Riken para Ciência Computacional, em Kobe.

"Descobrimos que nosso código é extremamente eficiente, atingindo a meta de um segundo por passo de tempo do cálculo necessário para aplicações práticas," disse o professor Yabana. "O desempenho está próximo do seu valor máximo possível, definido pela largura de banda da memória do computador, e o código tem a propriedade desejável de excelente escalabilidade fraca."

Simulações quânticas

Embora a equipe tenha simulado interações luz-matéria em um filme fino, a abordagem poderá ser usada para explorar muitos fenômenos em óptica e fotônica em nanoescala.

Por outro lado, o fato de usar o maior supercomputador do mundo para simular apenas uma fatia de material com 10.000 átomos mostra que ainda teremos que esperar um pouco para que as interações luz-matéria possam ser bem estudadas e, eventualmente, transformadas em novas tecnologias úteis.

Um caminho alternativo para isso está nos simuladores quânticos, uma espécie de processador quântico projetado para fazer tarefas específicas, como replicar o comportamento de partículas em seu meio natural.

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