[단독] AIDT 온디바이스 STEM 방사광 X선 극저온 헬륨 냉각 비틀린 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 모아레 엑시톤 초격자 서보 v1.0

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Runtime.Intrinsics;
using System.Runtime.Intrinsics.X86;

namespace ZeliDesk.Physics.Nanocryo.TmdMoire
{
    /// 

    /// TMD 모아레 시편 계측 신호 및 극저온 광학 데이터
    /// 
    public readonly record struct TmdMoireSensorInput(
        float MeasuredTwistAngleDeg,    // X선 회절로 계측된 비틀림 각도 (도)
        float TargetTwistAngleDeg,      // 목표 비틀림 각도 (예: 1.65도)
        float CryoPlEmissionWavelengthNm,// 저온 PL 엑시톤 발광 피크 파장 (nm)
        float TargetWavelengthNm,       // 목표 발광 파장 (예: 1380nm)
        float CryoTempKelvin,           // 헬륨 냉각 온도 (K)
        float LatticeConstantA1Nm       // 하부 TMD 격자상수 (nm, 예: 0.328nm)
    );

    /// 

    /// 나노피에조 비틀림 각도 및 병진 서보 출력
    /// 
    public readonly record struct TmdMoireServoOutput(
        float PiezoThetaVoltageV,       // 회전 스테이지 피에조 전압 (V)
        float CalculatedMoirePeriodNm,  // 계산된 모아레 초격자 주기 (nm)
        float PotentialDepthMev,        // 포텐셜 웰 깊이 V_0 (meV)
        float WavelengthErrorNm,        // PL 파장 오차 (nm)
        bool IsMottStateLocked          // 모트 절연체 양자 결맞음 락온 여부
    );

    /// 

    /// 온디바이스 비틀린 TMD 모아레 엑시톤 초격자 능동 서보
    /// 
    public ref struct TmdMoireExcitonSuperlatticeServo
    {
        private const float DegToRad = MathF.PI / 180.0f;
        private float _integratedAngleError;
        private float _prevAngleDeg;

        public TmdMoireExcitonSuperlatticeServo(float initialAngleDeg)
        {
            _integratedAngleError = 0.0f;
            _prevAngleDeg = initialAngleDeg;
        }

        /// 

        /// 10kHz 고속 루프: 모아레 주기 및 엑시톤 발광 피크 정합 서보
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public TmdMoireServoOutput ComputeServo(in TmdMoireSensorInput input, float dt)
        {
            // 1. 각도 오차 및 미분 연산
            float angleErrorDeg = input.MeasuredTwistAngleDeg - input.TargetTwistAngleDeg;
            _integratedAngleError += angleErrorDeg * dt;
            float dAngle = (input.MeasuredTwistAngleDeg - _prevAngleDeg) / Math.Max(1e-6f, dt);
            _prevAngleDeg = input.MeasuredTwistAngleDeg;

            // 2. 모아레 주기 계산: L_M = a / sqrt(theta^2 + delta^2)
            // 격자 불일치 delta = 0.005 (MoSe2/WSe2 간 0.5% 미스매치 가정)
            float thetaRad = input.MeasuredTwistAngleDeg * DegToRad;
            float delta = 0.005f;
            float denom = MathF.Sqrt(thetaRad * thetaRad + delta * delta);
            float moirePeriodNm = input.LatticeConstantA1Nm / Math.Max(1e-5f, denom);

            // 3. 포텐셜 웰 깊이 모델: V_0 = 120.0 * exp(-1.2 * theta_deg) meV
            float potentialDepthMev = 120.0f * MathF.Exp(-1.2f * input.MeasuredTwistAngleDeg);

            // 4. 피에조 회전 전압 계산 (0.01도당 1.5V 감도 비례 루프)
            // PID 계수: Kp = 150.0f, Ki = 20.0f, Kd = 5.0f
            float vTheta = -(150.0f * angleErrorDeg + 20.0f * _integratedAngleError + 5.0f * dAngle);

            // 5. PL 파장 오차 연산
            float waveErrorNm = input.CryoPlEmissionWavelengthNm - input.TargetWavelengthNm;

            // 허용 오차: 각도 0.01도 이내, 파장 1.0nm 이내
            bool isLocked = MathF.Abs(angleErrorDeg) < 0.01f && MathF.Abs(waveErrorNm) < 1.0f;

            return new TmdMoireServoOutput(
                vTheta,
                moirePeriodNm,
                potentialDepthMev,
                waveErrorNm,
                isLocked
            );
        }

        /// 

        /// 다중 모아레 도메인 격자 주기 SIMD 일괄 벡터 연산 커널
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public static void BatchComputeMoirePeriodsSIMD(
            ReadOnlySpan twistAnglesDeg,
            float latticeConstA,
            float mismatchDelta,
            Span outPeriodsNm)
        {
            int i = 0;
            int vectorSize = Vector256.Count;

            var degToRadVec = Vector256.Create(DegToRad);
            var deltaSqVec = Vector256.Create(mismatchDelta * mismatchDelta);
            var aVec = Vector256.Create(latticeConstA);

            for (; i <= twistAnglesDeg.Length - vectorSize; i += vectorSize)
            {
                var angleVec = Vector256.LoadUnsafe(in twistAnglesDeg[i]);
                var radVec = Vector256.Multiply(angleVec, degToRadVec);
                var radSqVec = Vector256.Multiply(radVec, radVec);

                var sumSqVec = Vector256.Add(radSqVec, deltaSqVec);
                var denomVec = Vector256.Sqrt(sumSqVec);

                var periodVec = Vector256.Divide(aVec, denomVec);
                periodVec.StoreUnsafe(ref outPeriodsNm[i]);
            }

            for (; i < twistAnglesDeg.Length; i++)
            {
                float rad = twistAnglesDeg[i] * DegToRad;
                float den = MathF.Sqrt(rad * rad + mismatchDelta * mismatchDelta);
                outPeriodsNm[i] = latticeConstA / den;
            }
        }
    }
}