Se necesitan una gran cantidad de simulaciones por computadora para crear un dispositivo como un escáner de resonancia magnética que pueda obtener imágenes de su cerebro al detectar ondas electromagnéticas que se propagan a través del tejido. La parte difícil es descubrir cómo reaccionarán las ondas electromagnéticas cuando entren en contacto con los materialesen el dispositivo
Los investigadores de SMU han desarrollado un algoritmo que se puede utilizar en una amplia gama de campos, desde biología y astronomía hasta aplicaciones militares y telecomunicaciones, para crear equipos de manera más eficiente y precisa.
Actualmente, puede llevar días o meses hacer simulaciones. Y debido al costo, existe un límite para la cantidad de simulaciones que generalmente se realizan para estos dispositivos. Los investigadores de matemáticas de SMU han revelado una forma de hacer un algoritmo más rápido para estas simulaciones conla ayuda de subvenciones de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. y la National Science Foundation.
"Podemos reducir el tiempo de simulación de un mes a tal vez una hora", dijo el investigador principal Wei Cai, presidente de Clements de Matemática Aplicada en SMU. "Hemos logrado un gran avance en estos algoritmos".
"Este trabajo también ayudará a crear un laboratorio virtual para que los científicos simulen y exploren células solares de puntos cuánticos, que podrían producir equipos militares solares extremadamente pequeños, eficientes y livianos", dijo el Dr. Joseph Myers, jefe de la división de ciencias matemáticas de la Oficina de Investigación del Ejército.
El Dr. Bo Wang, investigador postdoctoral en SMU Universidad Metodista del Sur y Wenzhong Zhang, un estudiante graduado en la universidad, también contribuyeron a esta investigación. El estudio fue publicado hoy por el Revista SIAM sobre Computación Científica .
El algoritmo podría tener implicaciones significativas en varios campos científicos.
"Las ondas electromagnéticas existen como radiación de energías de cargas y otros procesos cuánticos", explicó Cai.
Incluyen cosas como ondas de radio, microondas, luz y rayos X. Las ondas electromagnéticas también son la razón por la que puede usar un teléfono móvil para hablar con alguien en otro estado y por qué puede mirar televisión. En resumen, están en todas partes.
Un ingeniero o matemático podría usar el algoritmo para un dispositivo cuyo trabajo es seleccionar una determinada onda electromagnética. Por ejemplo, podría usarla para diseñar una batería de luz solar que dure más y sea más pequeña queactualmente existe.
"Para diseñar una batería de tamaño pequeño, debe optimizar el material para que pueda obtener la tasa de conversión máxima de la energía de la luz a la electricidad", dijo Cai. "Un ingeniero podría encontrar esa tasa de conversión máxima yendoa través de simulaciones más rápidas con este algoritmo "
O el algoritmo podría ayudar a un ingeniero a diseñar un monitor sísmico para predecir terremotos mediante el seguimiento de ondas elásticas en la tierra, señaló Cai.
"Estas son todas ondas, y nuestro método se aplica a diferentes tipos de ondas", dijo. "Hay una amplia gama de aplicaciones con lo que hemos desarrollado".
Las simulaciones por computadora trazan un mapa de cómo los materiales en un dispositivo como los materiales semiconductores interactuarán con la luz, dando a su vez una idea de lo que hará una onda particular cuando entre en contacto con ese dispositivo.
La fabricación de muchos dispositivos que involucran interacciones de luz utiliza un proceso de fabricación colocando material uno encima del otro en un laboratorio, al igual que Legos. Esto se llama medios en capas. Las simulaciones por computadora luego analizan los medios en capas usando modelos matemáticos para ver cómoel material en cuestión está interactuando con la luz.
Los investigadores de SMU han encontrado una forma más eficiente y menos costosa de resolver las ecuaciones de Helmholtz y Maxwell: herramientas difíciles de resolver pero esenciales para predecir el comportamiento de las ondas.
El problema de la fuente de onda y las interacciones materiales en la estructura de capas ha sido muy difícil para los matemáticos e ingenieros durante los últimos 30 años.
El profesor Weng Cho Chew de Ingeniería Eléctrica e Informática en Purdue, un experto líder mundial en electromagnetismo computacional, dijo que el problema "es notoriamente difícil".
Al comentar sobre el trabajo de Cai y su equipo, Chew dijo: "Sus resultados muestran una excelente convergencia a pequeños errores. Espero que sus resultados sean ampliamente adoptados".
El nuevo algoritmo modifica un método matemático llamado método multipolar rápido, o FMM, que fue considerado uno de los 10 mejores algoritmos del siglo XX.
Para probar el algoritmo, Cai y los otros investigadores utilizaron ManeFrame II de SMU, que es una de las supercomputadoras académicas más rápidas de la nación, para ejecutar muchas simulaciones diferentes.
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Materiales proporcionado por Universidad Metodista del Sur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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