Araştırmacılar, yeni nesil fotonik ve kuantum cihazlarının tasarlanmasına yardımcı olmak için simülasyon aracını genişletiyor

Optik iletişim ve yapay zeka (AI) donanımından gelişmiş sensörlere ve tıbbi görüntülemeye kadar pek çok modern teknoloji, ışık ve elektronlar arasındaki etkileşimi hassas bir şekilde kontrol eden fotonik ve yarı iletken cihazlara bağlıdır. Ancak bu cihazların tasarlanması büyük bir zorluk olmaya devam ediyor çünkü mevcut simülasyon araçları çoğu zaman araştırmacıların bir cihazın tamamını modellemek veya elektronların ayrıntılı davranışını yakalamak arasında seçim yapmasını gerektiriyor. Çok az kişi her ikisini de aynı modelde yapabilir.

Singapur Teknoloji ve Tasarım Üniversitesi (SUTD) ve Singapur Ulusal Üniversitesi’nden (NUS) araştırmacılar, yaygın olarak kullanılan açık kaynaklı hücre içi parçacık (PIC) yöntemini yoğun madde fiziğiyle genişleten yeni bir hesaplamalı yaklaşım geliştirdiler. Sonuç; metaller, yarı iletkenler ve yeni ortaya çıkan kuantum malzemelerdeki çok daha geniş yelpazedeki ışık-madde etkileşimlerini simüle edebilen tek bir platformdur.

Yayınlandığı yer Bilgisayar Fiziği İletişimi“Kuantum plazmaların hücre içi parçacık simülasyonları” araştırması, yerleşik bir plazma fiziği aracının yoğun madde sistemlerini incelemek için nasıl uyarlanabileceğini göstererek fotonik ve kuantum teknolojilerinin tasarlanması için yeni olanaklar açıyor.

Ayrıntıları kaybetmeden büyük resmi görmek

Simülasyon, yeni fotonik ve yarı iletken teknolojilerin geliştirilmesinde kritik bir rol oynamaktadır. Mühendisler, üretime zaman ve kaynak yatırmadan önce cihazların nasıl davranacağını tahmin etmek için sanal modellere güveniyor.

Ancak mevcut simülasyon araçları genellikle sorunun yalnızca bir boyutunda uzmanlaşmıştır. Bazıları bir cihazın tamamını doğru bir şekilde simüle edebilir ancak elektronların cihaz içinde nasıl davrandığına dair sınırlı bilgi sağlayabilir. Diğerleri elektron davranışını çok detaylı bir şekilde yakalar ancak yalnızca gerçek dünyadaki cihazlardan çok daha küçük yapılar için kullanışlıdır.

Google Haritalar’ı kullandığınızı hayal edin. Uzaklaştırdığınızda tüm şehri görebilirsiniz ancak tek tek araçları göremezsiniz. Yakınlaştırdığınızda araçları takip edebilirsiniz ancak şehrin genelinde trafiğin nasıl aktığını gözden kaçırabilirsiniz. Mevcut simülasyon araçları da benzer bir ödünleşimle karşı karşıyadır. Yeni yaklaşım, her iki bakış açısını birleştirerek araştırmacıların daha ince ayrıntılardan ödün vermeden büyük resmi görmesine olanak tanıyor.

SUTD’nin Bilim, Matematik ve Teknoloji Kümesinden doçent Wu Lin, “Uzun yıllar boyunca araştırmacılar, bir cihazın tamamının nasıl davrandığını anlamak ile bireysel elektronların ne yaptığını görmek arasında seçim yapmak zorunda kaldılar” dedi. “Bu ödünleşimi ortadan kaldırmak istedik. Sıfırdan yeni bir tane oluşturmak yerine yerleşik bir simülasyon yöntemini genişleterek, araştırmacılara gelişmiş malzemeler içinde ışık ve elektronların nasıl etkileşime girdiğine dair çok daha zengin bir resim sunan bir çerçeve oluşturduk.”

Yerleşik bir araç üzerine inşa etmek

Araştırmacılar tamamen yeni bir simülatör geliştirmek yerine, dünya çapındaki plazma fizikçilerinin halihazırda güvendiği yerleşik bir hesaplama yöntemini geliştirdiler.

PIC simülasyonları yüklü parçacıkları ve elektromanyetik alanları modellemek için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, başlangıçta klasik plazmalar için geliştirildiler ve metaller, yarı iletkenler ve grafen gibi yoğunlaştırılmış malzemelerdeki elektronların kuantum davranışını kolayca taklit edemediler.

Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için ekip, yöntemin temel güçlü yönlerini korurken önemli kuantum etkilerini yakalayacak şekilde PIC simülasyonlarını genişleten dört yeni fizik modülünü tanıttı. Bu eklemeler, araştırmacıların tek bir hesaplama platformunda çok daha geniş bir yelpazedeki nano ölçekli ışık-madde etkileşimlerini incelemesine olanak tanıyor.

Araştırmacılar, çerçeveyi plazmonik metaller, ultraviyole silikon nanoyapılar ve grafen bazlı malzemeler dahil olmak üzere çeşitli yoğun madde sistemleri üzerinde göstererek karmaşık elektromanyetik olayları incelemek için çok yönlülüğünü vurguladı.

Birçok sektörde inovasyonu hızlandırma

Bu çalışma, yeni nesil yarı iletken ve fotonik teknolojiler üzerinde çalışan araştırmacılara ve mühendislere fayda sağlayabilir. Daha gerçekçi simülasyonlar, daha fazla tasarım kararının üretimden önce sanal olarak test edilmesine olanak tanıyarak fotonik entegre devreler, optik sensörler, lazerler, LED’ler ve güneş pilleri geliştirmek için gereken süreyi ve maliyeti azaltabilir.

Uzun vadede araştırmacılar, çerçevenin fotonik ve yarı iletken cihazların dijital ikizlerine (gerçek dünyadaki benzerlerini yakından yansıtan sanal modeller) katkıda bulunacağını ve mühendislerin üretimden önce performansı optimize etmesine olanak tanıyacağını öngörüyor. Bu tür yetenekler yapay zeka hesaplama, telekomünikasyon, yenilenebilir enerji ve sağlık hizmetlerinde inovasyonun hızlanmasına yardımcı olabilir.

Ekip, değiştirilmiş PIC kodlarını açık kaynak haline getirerek dünya çapındaki araştırmacıların platformu genişletmeye devam edeceğini umuyor. Bu işbirlikçi yaklaşım, çabaların tekrarlanmasını önlemeye ve sahadaki ilerlemeyi hızlandırmaya yardımcı olabilir.

Wu, “Bu sadece başlangıç” dedi. “Çerçeve açık kaynak olduğundan, dünya çapındaki araştırmacıların onu yeni malzeme modelleri ve uygulamalarıyla genişletmeye devam edeceğini umuyoruz. Sonuçta, fotonik ve yarı iletken cihazların neredeyse üretilmeden önce tasarlanmasına, test edilmesine ve iyileştirilmesine olanak tanıyan dijital ikizlerin yaratılmasına yardımcı olmak istiyoruz.”

Bir sonraki hedefleri, karmaşık çoklu vücut etkileşimleri ve henüz yakalanmamış ayrıntılı elektronik bant yapıları dahil olmak üzere platforma ek fizik eklemek ve bunu gerçekçi cihaz ölçeğinde simülasyonlara genişletmektir. Ekip ayrıca fiziksel doğruluktan ödün vermeden hesaplama süresini azaltmak için fizik bilgili sinir ağlarına dayalı yapay zeka hızlandırıcıları geliştiriyor ve fotonik ve yarı iletken cihazlar için pratik dijital ikizlerin vizyonunu gerçeğe bir adım daha yaklaştırıyor.