英文原文鏈接：Southern Methodist University. "Efficient methods developed to simulate how electromagnetic waves interact with devices."ScienceDaily.ScienceDaily, 18 December 2019 <www.sciencedaily.com>./<www.sciencedaily.com>
製作一臺像核磁共振掃描儀這樣通過探測人體腦組織中的電磁波來繪製大腦圖像的設備是很消耗計算資源的。最重要的是需要給出電磁波是如何與設備中的材料相互作用的。Southern Methodist University（SMU）的研究人員開發了一套新的算法去製作有效性更高、精度更高的設備，它可以應用到諸多領域 ，如生物、航天、軍事、通訊等。
目前，需要幾天甚至幾個月去做一些模擬。由於成本問題，這些設備的模擬工作受到了一定的限制。SMU數學專業的研究人員已經在美國陸軍研究辦公室和國家科學基金研究會的資助下提出了一個有助於模擬工作的快速算法。“我們可以將一個月的模擬時間縮短為幾個小時，我們已經在這些算法上有一定的突破 ”，來自SMU應用數學系的首席研究員Wei Cai說。“這個工作將會幫助科學家建立虛擬的實驗室去模擬設計體積很小，效率很高，很輕便的太陽能軍備裝置——量子點太陽能電池” 。陸軍辦公室數學科學技術部主任Joseph Myers博士說。SMU的博士後Bo Wang以及這所大學的畢業生Wenzhong Zhang也參與了這項研究，該研究成果發表在SIAM journal on scientific computing期刊上。
這個算法可以應用在眾多的科學領域。“電磁波作為能量輻射存在於電子躍遷或其它量子過程中 ” Cai解釋說。電磁波包括無線電波、微波、可見光、X射線等。我們可以看電視，隨時隨地通過移動電話與他人通話都是由於電磁波的存在，簡而言之 ，電磁波無處不在。
工程人員和數學家可以將該算法應用到處理特定電磁波的設備上。例如，他們可以利用這個算法去設計壽命更長、體積更小的太陽能電池。“設計小尺寸的電池，你需要優化材料使其最大效率的將光能轉化為電能，一個工程人員可以通過該算法快速地模擬找到最大的轉化效率”，“這個算法也可以幫助工程人員設計一個地震監測裝置去監測彈性波進而來預測地震 ”，Cai補充說。
“我們的研究可以適應各個波段的電磁波，我們開發的算法有很廣泛的應用 ”。
計算機模擬可以表述光與器件中的材料（如半導體材料）之間的相互作用，進而讓我們瞭解當特定波段的電磁波與器件相互作用時將會發生什麼。許多包括光與物質相互作用的器件的製造過程是在實驗室中一層一層的堆積材料，這個就像樂高積木一樣，這個叫做層狀材料。計算機模擬就是利用數學模型去可視化這些材料與光之間會有怎樣的作用。
SMU的研究人員已經找到了一個更有效、更經濟的方法去處理比較難但又十分重要的可以理解電磁波行為的亥姆霍茲方程和麥克斯韋方程（Helmholta and Maxwell's equations）。光源與層狀物質之間的相互作用的問題已經困擾工程人員以及數學家長達30多年。來自普渡大學的電子與計算工程學院的教授，世界頂級的計算電磁學專家Weng Cho Chew說: “這個問題是出了名的難 ”。 Chew這樣評價Cai課題組的工作：“他們的結果在很小的誤差範圍內表現了很好的收斂性，希望他們的工作可以被廣泛地採用 ”。
他們的方法修正了20世紀最偉大的10個算法之一的fast multipole method(FMM)。為了測試算法，Cai和其他研究人員利用美國最快的超算之一的SMU's ManeFrame II去運行不同的模擬。
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
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