Da quando era uno studente laureato, L'ingegnere di sistema della Washington University di St. Louis Jr-Shin Li ha fornito informazioni matematiche specifiche a sperimentatori e clinici che ne hanno bisogno per eseguire applicazioni di risonanza magnetica ad alta risoluzione, come la risonanza magnetica corporea per la diagnosi medica o la spettroscopia per scoprire le strutture proteiche. Ora, dopo più di un decennio di lavoro, ha sviluppato una formula che i ricercatori possono utilizzare per generare tali informazioni da soli.

Li, il Das Family Career Development Distinguished Associate Professor presso la School of Engineering &Applied Science, ei suoi collaboratori hanno derivato una formula matematica per progettare sequenze di impulsi a banda larga per eccitare una popolazione di spin nucleari su un'ampia banda di frequenze. Tale eccitazione a banda larga porta a un segnale o una sensibilità potenziati in diversi esperimenti quantistici in campi dalla spettroscopia proteica all'ottica quantistica.

La ricerca, il primo a scoprire che la progettazione del polso può essere eseguita analiticamente, è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura 5 settembre

"Questo problema di progettazione è tradizionalmente svolto mediante ottimizzazione puramente numerica, " disse Li. "Poiché si deve progettare un input comune, un campo magnetico per eccitare molti, molte particelle:il problema è impegnativo. In molti casi nell'ottimizzazione numerica, gli algoritmi non riescono a convergere o impiegano enormi quantità di tempo per ottenere una soluzione fattibile."

Da più di un decennio, Li ha cercato un modo migliore per la progettazione degli impulsi utilizzando la somiglianza tra spin e molle applicando esperimenti numerici. Lo spin è una forma di momento angolare trasportato da particelle elementari. I sistemi di spin sono non lineari e difficili da lavorare, Li ha detto, mentre i sistemi a molla, o oscillatori armonici, sono lineari e più facili da lavorare. Mentre era studente di dottorato all'Università di Harvard, Li ha trovato una soluzione proiettando il sistema di spin non lineare sul sistema di molle lineare, ma non è stato in grado di dimostrarlo matematicamente fino a poco tempo fa.

"Abbiamo una prova molto rigorosa che una tale proiezione da non lineare a lineare è valida, e abbiamo anche fatto molte simulazioni numeriche per dimostrare la scoperta, " disse Li. "Mio collaboratore, Steffan Glaser (della Technische Universität Monaco di Baviera), è stato in questo campo della spettroscopia NMR per più di 20 anni, ed è fiducioso che se gli impulsi quantistici si comportano bene nelle simulazioni al computer, possono eseguire lo stesso nei sistemi sperimentali."

Il team prevede di condurre vari esperimenti di risonanza magnetica per verificare l'invenzione analitica.

Il lavoro teorico apre nuove strade per la progettazione di sequenze di impulsi nel controllo quantistico. Li prevede di creare un sito Web in cui i collaboratori possano inserire i valori dei parametri per generare la formula dell'impulso di cui avranno bisogno nei loro esperimenti quantistici.