用于向列相拓扑缺陷Landau-de Gennes数值模拟的快速、可扩展且交互式软件

使用张量Landau-de Gennes（LdG）理论对向列相液晶进行数值模拟，可深入揭示当液晶与胶体包覆物或结构化边界接触时可能出现的种类繁多拓扑缺陷构型的结构与能量学。然而，这些方法计算代价高昂，难以预测涉及多个胶体粒子的（亚）稳态构型，且常受限于远小于实验尺度的系统尺寸。本文提出一个开源软件包，其利用了LdG方法的格子离散化中易并行（embarrassingly parallel）的结构。我们的实现结合CUDA/C++与OpenMPI，允许用户在单核或多核配置下利用CPU与GPU资源加速模拟。我们采用了一种高效最小化算法——快速惯性松弛引擎（Fast Inertial Relaxation Engine, FIRE）方法，其非常适于大规模并行化，仅需极少额外内存或计算成本，同时提供与其他常用方法相竞争的性能。在多核运算中，我们能将模拟扩展至实验相关的微米级以上长度尺度；在单核运算中，该模拟包包含用户友好的GUI环境，用于快速原型化界面特征及其可催生的多种多样缺陷态。为展示该软件包，我们详细考察了当尺寸尺度、材料性质和几何特征变化时曲线向错与点状刺猬缺陷之间的竞争。我们还研究了以拓扑点缺陷阵列图案化的界面的效应。