2026年7月21日——从光通信、人工智能（AI）硬件，到先进传感器和医学成像，许多现代技术都依赖于能够精确控制光与电子相互作用的光子和半导体器件。然而，设计这些器件仍然是一项重大挑战，因为现有的模拟工具往往要求研究人员在模拟整个器件或捕捉电子的详细行为之间做出选择。很少有工具能在同一个模型中兼顾两者。

新加坡科技设计大学（SUTD）和新加坡国立大学（NUS）的研究人员开发了一种新的计算方法，将广泛使用的开源粒子网格（PIC）方法与凝聚态物理学相结合。其结果是一个单一平台，能够模拟金属、半导体和新兴量子材料中更为广泛的光与物质相互作用。

这项题为“量子等离子体的粒子网格模拟”的研究发表在《计算机物理通讯》上，展示了如何将成熟的等离子体物理学工具应用于研究凝聚态系统，为设计光子和量子技术开辟了新的可能性。

兼顾全局与细节

模拟在开发新型光子和半导体技术中扮演着关键角色。工程师依靠虚拟模型在投入时间和资源进行制造之前预测器件的表现。

然而，当前的模拟工具通常只专注于问题的某一方面。有些能够精确模拟整个器件，但对其中电子的行为洞察有限；另一些则能非常详细地捕捉电子行为，但仅适用于远小于实际器件的结构。

可以想象一下使用谷歌地图。缩小视图，你可以看到整个城市，但看不到单独的车辆。放大视图，你可以跟踪车辆，但就失去了对城市整体交通流量的把握。现有的模拟工具面临着类似的取舍。这种新方法将两种视角结合起来，使研究人员能够在把握全局的同时不丢失精细的细节。

SUTD科学、数学与技术集群的吴琳副教授表示：“多年来，研究人员不得不在了解整个器件的行为和观察单个电子的活动之间做出选择。我们希望消除这种取舍。通过扩展一种已有的模拟方法，而不是从头构建一个新方法，我们创建了一个框架，能让研究人员更全面地了解光和电子在先进材料内部是如何相互作用的。”

在成熟的工具上构建

研究人员并没有开发一个全新的模拟器，而是增强了一种已被全球等离子体物理学家信赖的成熟计算方法。

粒子网格模拟被广泛用于模拟带电粒子和电磁场。然而，它们最初是为经典等离子体开发的，无法轻易模拟电子在金属、半导体和石墨烯等凝聚态材料中的量子行为。

为了克服这些局限性，研究团队引入了四个新的物理模块，在不牺牲该方法核心优势的前提下，扩展了粒子网格模拟以捕捉重要的量子效应。这些新增功能共同使得研究人员能够在单一计算平台上研究更广泛尺度的纳米级光与物质相互作用。

研究团队在不同的凝聚态系统中演示了这个框架，包括等离激元金属、紫外硅纳米结构和石墨烯基材料，突显了其在研究复杂电磁现象方面的多功能性。

加速多个行业的创新

这项工作可能惠及从事下一代半导体和光子技术的研究人员和工程师。更逼真的模拟通过允许在制造前对更多设计决策进行虚拟测试，从而减少开发光子集成电路、光学传感器、激光器、LED和太阳能电池所需的时间和成本。

从长远来看，研究人员设想该框架能为光子和半导体器件的数字孪生做出贡献——即与实际器件高度镜像的虚拟模型，使工程师能够在制造前优化性能。这种能力有助于加速AI计算、电信、可再生能源和医疗保健领域的创新。

通过使修改后的粒子网格代码开源，研究团队希望全球的研究人员能够继续扩展这个平台。这种协作方法有助于避免重复工作，并加速整个领域的进步。

吴琳副教授表示：“这仅仅是个开始。由于该框架是开源的，我们希望世界各地的研究人员能继续用新的材料模型和应用来扩展它。最终，我们希望能够帮助创建数字孪生，使得光子和半导体器件在制造前就能进行虚拟设计、测试和优化。”

他们的下一个目标是将更多的物理学内容纳入平台——包括尚未捕捉到的复杂多体相互作用和详细的电子能带结构——同时将其扩展到实际器件规模的模拟。该团队还正在开发基于物理信息神经网络的AI加速器，以期在不牺牲物理精度的前提下减少计算时间，使光子和半导体器件实用数字孪生的愿景更接近现实。