Een nieuwe 3D-particle-in-cell (PIC)-simulatietool, ontwikkeld door onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory en CEA Saclay, maakt geavanceerde simulaties mogelijk van laser/plasma-koppelingsmechanismen die voorheen buiten het bereik lagen van standaard PIC-codes die worden gebruikt in plasma onderzoek. Een meer gedetailleerd begrip van deze mechanismen is van cruciaal belang voor de ontwikkeling van ultracompacte deeltjesversnellers en lichtbronnen die langdurige uitdagingen in de geneeskunde zouden kunnen oplossen, industrie, en fundamentele wetenschap efficiënter en kosteneffectiever.

In laserplasma-experimenten zoals die in het Berkeley Lab Laser Accelerator (BELLA) Center en bij CEA Saclay - een internationale onderzoeksfaciliteit in Frankrijk die deel uitmaakt van de Franse Atomic Energy Commission - zeer grote elektrische velden in plasma's die deeltjesbundels versnellen tot hoge energieën over veel kortere afstanden in vergelijking met bestaande versnellertechnologieën. Het langetermijndoel van deze laser-plasmaversnellers (LPA's) is om ooit versnellers te bouwen voor hoogenergetisch onderzoek, maar er zijn al veel spin-offs in ontwikkeling. Bijvoorbeeld, LPA's kunnen snel grote hoeveelheden energie afzetten in vaste materialen, het creëren van dichte plasma's en het onderwerpen van deze materie aan extreme temperaturen en druk. Ze bevatten ook het potentieel voor het aansturen van vrije-elektronenlasers die lichtpulsen genereren die slechts attoseconden duren. Zulke extreem korte pulsen zouden onderzoekers in staat kunnen stellen om de interacties van moleculen te observeren, atomen, en zelfs subatomaire deeltjes op extreem korte tijdschalen.

Supercomputersimulaties zijn steeds belangrijker geworden voor dit onderzoek, en Berkeley Lab's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) is daarbij een belangrijke hulpbron geworden. Door onderzoekers toegang te geven tot fysieke waarneembaarheden zoals deeltjesbanen en uitgestraalde velden die moeilijk te verkrijgen zijn in experimenten op extreem kleine tijd- en lengteschalen, PIC-simulaties hebben een belangrijke rol gespeeld bij het begrijpen, modellering, en het begeleiden van natuurkundige experimenten met hoge intensiteit. Maar een gebrek aan PIC-codes die voldoende rekennauwkeurigheid hebben om laser-materie-interactie bij ultrahoge intensiteiten te modelleren, heeft de ontwikkeling van nieuwe deeltjes- en lichtbronnen die door deze interactie worden geproduceerd, belemmerd.

Deze uitdaging bracht het Berkeley Lab/CEA Saclay-team ertoe hun nieuwe simulatietool te ontwikkelen, nagesynchroniseerd Warp+PXR, een inspanning begon tijdens de eerste ronde van het NERSC Exascale Science Applications Program (NESAP). De code combineert de veelgebruikte 3D PIC-code Warp met de krachtige bibliotheek PICSAR die mede is ontwikkeld door Berkeley Lab en CEA Saclay. Het maakt ook gebruik van een nieuw type massaal parallelle pseudo-spectrale solver, mede ontwikkeld door Berkeley Lab en CEA Saclay, die de nauwkeurigheid van de simulaties drastisch verbetert in vergelijking met de solvers die doorgaans worden gebruikt in plasma-onderzoek.

In feite, zonder deze nieuwe, zeer schaalbare oplosser, "de simulaties die we nu doen zouden niet mogelijk zijn, zei Jean-Luc Vay, een senior natuurkundige bij Berkeley Lab die aan het hoofd staat van het Accelerator Modeling Program in de Applied Physics and Accelerator Technologies Division van het Lab. "Zoals ons team in een eerdere studie liet zien, deze nieuwe FFT-spectrale solver maakt een veel hogere precisie mogelijk dan kan worden gedaan met FDTD-oplossers (eindige differentietijddomeinen), dus we waren in staat om enkele parameterruimten te bereiken die niet toegankelijk zouden zijn geweest met standaard FDTD-oplossers." Dit nieuwe type spectrale oplosser vormt ook de kern van het PIC-algoritme van de volgende generatie met adaptieve mesh-verfijning die Vay en collega's ontwikkelen in de nieuwe Warp-X-code als onderdeel van het Exascale Computing Project van het Amerikaanse ministerie van Energie.

2D- en 3D-simulaties beide kritisch

Vay is ook co-auteur van een paper gepubliceerd op 21 maart in Fysieke beoordeling X dat rapporteert over de eerste uitgebreide studie van de laser-plasma-koppelingsmechanismen met behulp van Warp + PXR. Die studie combineerde ultramoderne experimentele metingen uitgevoerd op de UHI100-laserfaciliteit bij CEA Saclay met geavanceerde 2D- en 3D-simulaties uitgevoerd op de Cori-supercomputer bij NERSC en de Mira- en Theta-systemen bij de Argonne Leadership Computerfaciliteit bij Argonne National Laboratory. Deze simulaties stelden het team in staat om de koppelingsmechanismen tussen het ultra-intensieve laserlicht en het dichte plasma dat het creëerde beter te begrijpen, nieuwe inzichten bieden in het optimaliseren van ultracompacte deeltjes- en lichtbronnen. Benchmarks met Warp+PXR toonden aan dat de code schaalbaar is tot 400, 000 cores op Cori en 800, 000 cores op Mira en kan de oplossingstijd met maar liefst drie ordes van grootte versnellen voor problemen die verband houden met natuurkundige experimenten met ultrahoge intensiteit.

"We kunnen niet consequent herhalen of reproduceren wat er in het experiment met 2D-simulaties is gebeurd - we hebben hiervoor 3D nodig, " zei co-auteur Henri Vincenti, een wetenschapper in de high-intensity physics-groep bij CEA Saclay. Vincenti leidde het theoretische/simulatiewerk voor de nieuwe studie en was een Marie Curie-postdoctoraal onderzoeker bij Berkeley Lab in Vay's groep, waar hij voor het eerst begon te werken aan de nieuwe code en oplosser. "De 3D-simulaties waren ook erg belangrijk om de nauwkeurigheid van de nieuwe code te kunnen vergelijken met experimenten."

Voor het experiment beschreven in de Fysieke beoordeling X papier, de CEA Saclay-onderzoekers gebruikten een krachtige (100TW) femtoseconde laserstraal in de UHI100-faciliteit van CEA, gericht op een silica-doelwit om een ​​dicht plasma te creëren. In aanvulling, twee diagnostiek - een Lanex scintillatiescherm en een extreem-ultraviolette spectrometer - werden toegepast om de laser-plasma-interactie tijdens het experiment te bestuderen. De diagnostische hulpmiddelen vormden extra uitdagingen als het ging om het bestuderen van tijd- en lengteschalen terwijl het experiment liep, opnieuw waardoor de simulaties cruciaal zijn voor de bevindingen van de onderzoekers.

"Vaak heb je bij dit soort experimenten geen toegang tot de betrokken tijd- en lengteschalen, vooral omdat je in de experimenten een zeer intens laserveld op je doelwit hebt, dus je kunt geen diagnose dicht bij het doel plaatsen, " zei Fabien Quéré, een onderzoekswetenschapper die het experimentele programma bij CEA leidt en co-auteur is van de PRX-paper. "In dit soort experimenten kijken we naar dingen die worden uitgezonden door het doel dat ver weg is - 10, 20 cm - en gebeurt in realtime, eigenlijk, terwijl de fysica in de tijd op de micron- of submicronschaal en subfemtoseconde schaal ligt. We hebben de simulaties dus nodig om te ontcijferen wat er in het experiment gebeurt."

"De eerste-principesimulaties die we voor dit onderzoek gebruikten, gaven ons toegang tot de complexe dynamiek van de laserveldinteractie, met het vaste doelwit op het detailniveau van individuele deeltjesbanen, waardoor we beter begrijpen wat er in het experiment gebeurde, ' voegde Vincenti eraan toe.

Deze zeer grote simulaties met een ultrahoge precisie spectrale FFT-oplosser waren mogelijk dankzij een paradigmaverschuiving die in 2013 door Vay en medewerkers werd geïntroduceerd. In een studie gepubliceerd in het Journal of Computational Physics, zij constateerden dat, bij het oplossen van de tijdsafhankelijke vergelijkingen van Maxwell, de standaard FFT-parallellisatiemethode (die wereldwijd is en communicatie tussen processors over het gehele simulatiedomein vereist) zou kunnen worden vervangen door een domeindecompositie met lokale FFT's en communicatie beperkt tot naburige processors. Naast het mogelijk maken van veel gunstiger sterke en zwakke schaling over een groot aantal computerknooppunten, de nieuwe methode is ook energiezuiniger omdat het de communicatie vermindert.

"Met standaard FFT-algoritmen moet u over de hele machine communiceren, Vay zei. "Maar de nieuwe spectrale FFT-oplosser maakt besparingen mogelijk in zowel computertijd als energie, dat is een groot probleem voor de nieuwe supercomputing-architecturen die worden geïntroduceerd."