Un nuovo strumento di simulazione 3-D Particella-in-Cell (PIC) sviluppato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory e del CEA Saclay sta consentendo simulazioni all'avanguardia di meccanismi di accoppiamento laser/plasma che in precedenza erano fuori dalla portata dei codici PIC standard utilizzati in ricerca sul plasma Una comprensione più dettagliata di questi meccanismi è fondamentale per lo sviluppo di acceleratori di particelle ultracompatti e sorgenti luminose che potrebbero risolvere sfide di vecchia data in medicina, industria, e la scienza fondamentale in modo più efficiente e conveniente.

Negli esperimenti laser-plasma come quelli al Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center e al CEA Saclay, una struttura di ricerca internazionale in Francia che fa parte della Commissione francese per l'energia atomica, campi elettrici molto grandi all'interno dei plasmi che accelerano i fasci di particelle a alte energie su distanze molto più brevi rispetto alle tecnologie di accelerazione esistenti. L'obiettivo a lungo termine di questi acceleratori laser-plasma (LPA) è quello di costruire un giorno collisori per la ricerca ad alta energia, ma molti spin-off sono già in fase di sviluppo. Ad esempio, Gli LPA possono depositare rapidamente grandi quantità di energia nei materiali solidi, creando plasmi densi e sottoponendo questa materia a temperature e pressioni estreme. Hanno anche il potenziale per pilotare laser a elettroni liberi che generano impulsi luminosi che durano solo attosecondi. Impulsi così brevi potrebbero consentire ai ricercatori di osservare le interazioni di molecole, atomi, e persino particelle subatomiche su scale temporali estremamente brevi.

Le simulazioni al supercomputer sono diventate sempre più critiche per questa ricerca, e il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab è diventato una risorsa importante in questo sforzo. Dando ai ricercatori l'accesso a osservabili fisici come orbite di particelle e campi irradiati che sono difficili da ottenere in esperimenti su scale di tempo e lunghezza estremamente ridotte, Le simulazioni PIC hanno svolto un ruolo importante nella comprensione, modellazione, e guidare esperimenti di fisica ad alta intensità. Ma la mancanza di codici PIC che abbiano una precisione computazionale sufficiente per modellare l'interazione laser-materia a intensità ultra elevate ha ostacolato lo sviluppo di nuove particelle e sorgenti luminose prodotte da questa interazione.

Questa sfida ha portato il team di Berkeley Lab/CEA Saclay a sviluppare il loro nuovo strumento di simulazione, soprannominato Warp+PXR, uno sforzo iniziato durante il primo round del NERSC Exascale Science Applications Program (NESAP). Il codice combina il codice PIC 3D Warp ampiamente utilizzato con la libreria ad alte prestazioni PICSAR sviluppata congiuntamente da Berkeley Lab e CEA Saclay. Sfrutta anche un nuovo tipo di solutore pseudo-spettrale massicciamente parallelo sviluppato congiuntamente da Berkeley Lab e CEA Saclay che migliora notevolmente l'accuratezza delle simulazioni rispetto ai solutori tipicamente utilizzati nella ricerca sul plasma.

Infatti, senza questo nuovo, risolutore altamente scalabile, "le simulazioni che stiamo facendo ora non sarebbero possibili, " ha detto Jean-Luc Vay, un fisico senior del Berkeley Lab che dirige il programma di modellazione dell'acceleratore nella divisione di fisica applicata e tecnologie degli acceleratori del laboratorio. "Come il nostro team ha mostrato in uno studio precedente, questo nuovo solutore spettrale FFT consente una precisione molto più elevata rispetto a quella ottenibile con i solutori nel dominio del tempo alle differenze finite (FDTD), quindi siamo stati in grado di raggiungere alcuni spazi dei parametri che non sarebbero stati accessibili con i risolutori FDTD standard." Questo nuovo tipo di risolutore spettrale è anche al centro dell'algoritmo PIC di nuova generazione con affinamento della mesh adattiva che Vay e colleghi stanno sviluppando in il nuovo codice Warp-X come parte dell'Exascale Computing Project del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Simulazioni 2-D e 3-D entrambe critiche

Vay è anche coautore di un articolo pubblicato il 21 marzo in Revisione fisica X che riporta il primo studio completo dei meccanismi di accoppiamento laser-plasma utilizzando Warp+PXR. Questo studio ha combinato misurazioni sperimentali all'avanguardia condotte sulla struttura laser UHI100 presso il CEA Saclay con simulazioni 2-D e 3-D all'avanguardia eseguite sul supercomputer Cori al NERSC e sui sistemi Mira e Theta presso l'Argonne Leadership Computing Facility presso l'Argonne National Laboratory. Queste simulazioni hanno permesso al team di comprendere meglio i meccanismi di accoppiamento tra la luce laser ultra-intensa e il plasma denso che ha creato, fornendo nuove informazioni su come ottimizzare le particelle ultracompatte e le sorgenti luminose. I benchmark con Warp+PXR hanno mostrato che il codice è scalabile fino a 400, 000 core su Cori e 800, 000 core su Mira e può accelerare i tempi per la soluzione fino a tre ordini di grandezza su problemi relativi a esperimenti di fisica ad altissima intensità.

"Non possiamo ripetere o riprodurre costantemente ciò che è successo nell'esperimento con simulazioni 2-D:abbiamo bisogno del 3-D per questo, " ha detto il co-autore Henri Vincenti, uno scienziato nel gruppo di fisica ad alta intensità al CEA Saclay. Vincenti ha guidato il lavoro teorico/simulazione per il nuovo studio ed è stato borsista post-dottorato Marie Curie presso il Berkeley Lab nel gruppo di Vay, dove ha iniziato a lavorare sul nuovo codice e risolutore. "Le simulazioni 3D sono state anche molto importanti per poter confrontare l'accuratezza apportata dal nuovo codice con gli esperimenti".

Per l'esperimento delineato nel Revisione fisica X carta, i ricercatori di CEA Saclay hanno utilizzato un raggio laser a femtosecondi ad alta potenza (100TW) presso la struttura UHI100 di CEA focalizzato su un bersaglio di silice per creare un plasma denso. Inoltre, due strumenti diagnostici, uno schermo scintillante Lanex e uno spettrometro ultravioletto estremo, sono stati applicati per studiare l'interazione laser-plasma durante l'esperimento. Gli strumenti diagnostici presentavano ulteriori sfide quando si trattava di studiare le scale di tempo e lunghezza mentre l'esperimento era in corso, ancora una volta rendendo le simulazioni fondamentali per i risultati dei ricercatori.

"Spesso in questo tipo di esperimento non è possibile accedere alle scale di tempo e lunghezza coinvolte, soprattutto perché negli esperimenti hai un campo laser molto intenso sul tuo bersaglio, quindi non puoi mettere alcuna diagnostica vicino al bersaglio, " ha detto Fabien Quéré, uno scienziato ricercatore che guida il programma sperimentale del CEA ed è coautore del documento PRX. "In questo tipo di esperimento stiamo osservando le cose emesse dal bersaglio che è lontano:10, 20 cm—e accade in tempo reale, essenzialmente, mentre la fisica è su scala micron o submicronica e su scala subfemtoseconda nel tempo. Quindi abbiamo bisogno delle simulazioni per decifrare cosa sta succedendo nell'esperimento".

"Le simulazioni dei primi principi che abbiamo usato per questa ricerca ci hanno dato accesso alle complesse dinamiche dell'interazione del campo laser, con il bersaglio solido a livello di dettaglio delle orbite delle singole particelle, permettendoci di capire meglio cosa stava succedendo nell'esperimento, " ha aggiunto Vincenzo.

Queste simulazioni molto grandi con un solutore FFT spettrale di altissima precisione sono state possibili grazie a un cambio di paradigma introdotto nel 2013 da Vay e collaboratori. In uno studio pubblicato sul Journal of Computational Physics, hanno osservato che, quando si risolvono le equazioni di Maxwell dipendenti dal tempo, il metodo di parallelizzazione FFT standard (che è globale e richiede comunicazioni tra processori nell'intero dominio di simulazione) potrebbe essere sostituito con una decomposizione del dominio con FFT locali e comunicazioni limitate ai processori vicini. Oltre a consentire un ridimensionamento forte e debole molto più favorevole su un gran numero di nodi di computer, il nuovo metodo è anche più efficiente dal punto di vista energetico perché riduce le comunicazioni.

"Con gli algoritmi FFT standard è necessario effettuare comunicazioni su tutta la macchina, " Ha detto Vay. "Ma il nuovo solutore FFT spettrale consente di risparmiare sia in termini di tempo che di energia del computer, che è un grosso problema per le nuove architetture di supercalcolo introdotte."