科技新闻 | 模拟电磁波与器件相互作用的有效算法被开发

英文原文链接：Southern Methodist University. "Efficient methods developed to simulate how electromagnetic waves interact with devices."ScienceDaily.ScienceDaily, 18 December 2019 .

制作一台像核磁共振扫描仪这样通过探测人体脑组织中的电磁波来绘制大脑图像的设备是很消耗计算资源的。最重要的是需要给出电磁波是如何与设备中的材料相互作用的。Southern Methodist University（SMU）的研究人员开发了一套新的算法去制作有效性更高、精度更高的设备，它可以应用到诸多领域 ，如生物、航天、军事、通讯等。

目前，需要几天甚至几个月去做一些模拟。由于成本问题，这些设备的模拟工作受到了一定的限制。SMU数学专业的研究人员已经在美国陆军研究办公室和国家科学基金研究会的资助下提出了一个有助于模拟工作的快速算法。“我们可以将一个月的模拟时间缩短为几个小时，我们已经在这些算法上有一定的突破 ”，来自SMU应用数学系的首席研究员Wei Cai说。“这个工作将会帮助科学家建立虚拟的实验室去模拟设计体积很小，效率很高，很轻便的太阳能军备装置——量子点太阳能电池” 。陆军办公室数学科学技术部主任Joseph Myers博士说。SMU的博士后Bo Wang以及这所大学的毕业生Wenzhong Zhang也参与了这项研究，该研究成果发表在SIAM journal on scientific computing期刊上。

这个算法可以应用在众多的科学领域。“电磁波作为能量辐射存在于电子跃迁或其它量子过程中 ” Cai解释说。电磁波包括无线电波、微波、可见光、X射线等。我们可以看电视，随时随地通过移动电话与他人通话都是由于电磁波的存在，简而言之 ，电磁波无处不在。

工程人员和数学家可以将该算法应用到处理特定电磁波的设备上。例如，他们可以利用这个算法去设计寿命更长、体积更小的太阳能电池。“设计小尺寸的电池，你需要优化材料使其最大效率的将光能转化为电能，一个工程人员可以通过该算法快速地模拟找到最大的转化效率”，“这个算法也可以帮助工程人员设计一个地震监测装置去监测弹性波进而来预测地震 ”，Cai补充说。

“我们的研究可以适应各个波段的电磁波，我们开发的算法有很广泛的应用 ”。

计算机模拟可以表述光与器件中的材料（如半导体材料）之间的相互作用，进而让我们了解当特定波段的电磁波与器件相互作用时将会发生什么。许多包括光与物质相互作用的器件的制造过程是在实验室中一层一层的堆积材料，这个就像乐高积木一样，这个叫做层状材料。计算机模拟就是利用数学模型去可视化这些材料与光之间会有怎样的作用。

SMU的研究人员已经找到了一个更有效、更经济的方法去处理比较难但又十分重要的可以理解电磁波行为的亥姆霍兹方程和麦克斯韦方程（Helmholta and Maxwell's equations）。光源与层状物质之间的相互作用的问题已经困扰工程人员以及数学家长达30多年。来自普渡大学的电子与计算工程学院的教授，世界顶级的计算电磁学专家Weng Cho Chew说: “这个问题是出了名的难 ”。 Chew这样评价Cai课题组的工作：“他们的结果在很小的误差范围内表现了很好的收敛性，希望他们的工作可以被广泛地采用 ”。
他们的方法修正了20世纪最伟大的10个算法之一的fast multipole method(FMM)。为了测试算法，Cai和其他研究人员利用美国最快的超算之一的SMU's ManeFrame II去运行不同的模拟。

---

Reference
[1]Bo Wang, Wenzhong Zhang, Wei Cai. Fast Multipole Method For 3-D Helmholtz Equation in Layered Media. SIAM Journal on Scientific Computing, 2019; 41 (6): A3954 DOI: 10.1137/19M1247711