Det krävs en enorm mängd datorsimuleringar för att skapa en enhet som en MR -skanner som kan avbilda din hjärna genom att upptäcka elektromagnetiska vågor som sprider sig genom vävnad. Den knepiga delen är att ta reda på hur elektromagnetiska vågor kommer att reagera när de kommer i kontakt med materialen i enheten.

SMU-forskare har utvecklat en algoritm som kan användas inom ett brett spektrum av områden – från biologi och astronomi till militära tillämpningar och telekommunikation – för att skapa utrustning mer effektivt och exakt.

För närvarande, det kan ta dagar eller månader att göra simuleringar. Och på grund av kostnaden, det finns en gräns för antalet simuleringar som vanligtvis görs för dessa enheter. SMU -matematikforskare har avslöjat ett sätt att göra en snabbare algoritm för dessa simuleringar med hjälp av bidrag från US Army Research Office och National Science Foundation.

"Vi kan minska simuleringstiden från en månad till kanske en timme, " sa ledande forskare Wei Cai, Clements ordförande i tillämpad matematik vid SMU. "Vi har gjort ett genombrott i dessa algoritmer."

"Detta arbete kommer också att bidra till att skapa ett virtuellt laboratorium för forskare att simulera och utforska kvantpricksolceller, som kan producera extremt små, effektiv och lätt soldatarmateriel, sade Dr Joseph Myers, Army Research Office matematiska vetenskapsavdelningschef.

Dr Bo Wang, en postdoktor vid SMU (Southern Methodist University) och Wenzhong Zhang, en doktorand vid universitetet, bidragit också till denna forskning. Studien publicerades idag av SIAM Journal on Scientific Computing .

Algoritmen kan ha betydande konsekvenser inom ett antal vetenskapliga områden.

"Elektromagnetiska vågor existerar som strålning av energier från laddningar och andra kvantprocesser, "Förklarade Cai.

De inkluderar saker som radiovågor, mikrovågor, ljus och röntgenstrålar. Elektromagnetiska vågor är också anledningen till att du kan använda en mobiltelefon för att prata med någon i ett annat tillstånd och varför du kan titta på TV. Kortfattat, de finns överallt.

En ingenjör eller matematiker skulle kunna använda algoritmen för en enhet vars jobb är att plocka ut en viss elektromagnetisk våg. Till exempel, hon eller han kan eventuellt använda det för att designa ett solbatteri som håller längre och är mindre än vad som för närvarande finns.

"För att designa ett batteri som är litet i storlek, du måste optimera materialet så att du kan få maximal konverteringshastighet från ljusenergi till elektricitet, "Cai sa." En ingenjör kunde hitta den maximala konverteringsfrekvensen genom att gå igenom simuleringar snabbare med denna algoritm. "

Eller så kan algoritmen hjälpa en ingenjör att designa en seismisk monitor för att förutsäga jordbävningar genom att spåra elastiska vågor i jorden, Cai noterade.

"Det här är alla vågor, och vår metod gäller för olika typer av vågor, "sa han." Det finns ett brett spektrum av applikationer med vad vi har utvecklat. "

Datorsimuleringar kartlägger hur material i en enhet som halvledarmaterial kommer att interagera med ljus, ger i sin tur en känsla av vad en viss våg kommer att göra när den kommer i kontakt med den enheten.

Tillverkningen av många enheter som involverar ljusinteraktioner använder en tillverkningsprocess genom att lägga material ovanpå varandra i ett labb, precis som Legos. Detta kallas lagermedia. Datorsimuleringar analyserar sedan skiktmedierna med hjälp av matematiska modeller för att se hur materialet i fråga interagerar med ljus.

SMU -forskare har hittat ett effektivare och billigare sätt att lösa Helmholtz och Maxwells ekvationer - svåra att lösa men viktiga verktyg för att förutsäga vågornas beteende.

Problemet med vågkälla och materialinteraktioner i lagerstrukturen har varit mycket utmanande för matematiker och ingenjörer under de senaste 30 åren.

Professor Weng Cho Chew från Electrical and Computer Engineering på Purdue, en världsledande expert på beräkningselektromagnetik, sa att problemet "är notoriskt svårt."

Kommenterar om Cai och hans team, Tugga sa, "Deras resultat visar utmärkt överensstämmelse med små fel. Jag hoppas att deras resultat kommer att bli allmänt accepterade."

Den nya algoritmen modifierar en matematisk metod som kallas den snabba multipolmetoden, eller FMM, som ansågs vara en av de 10 bästa algoritmerna på 1900-talet.

För att testa algoritmen, Cai och de andra forskarna använde SMU:s ManeFrame II - som är en av de snabbaste akademiska superdatorer i landet - för att köra många olika simuleringar.