I fisici di Skoltech hanno inventato un nuovo metodo per calcolare la dinamica di grandi sistemi quantistici. Sostenuto da una combinazione di modellistica quantistica e classica, il metodo è stato applicato con successo alla risonanza magnetica nucleare nei solidi. I risultati dello studio sono stati pubblicati in Revisione fisica B .

Gli oggetti fisici intorno a noi sono costituiti da atomi che, a sua volta, sono costituiti da elettroni con carica negativa e nuclei con carica positiva. Molti dei nuclei atomici sono magnetici:possono essere pensati come minuscoli magneti, che può essere eccitato da un campo magnetico oscillante. Questo fenomeno noto come "risonanza magnetica nucleare" (NMR) è stato scoperto nella prima metà del 20 ^ns secolo. Da allora sono stati assegnati cinque premi Nobel, prima per la scoperta e poi per varie applicazioni dell'NMR:la risonanza magnetica (MRI) è la più importante.

Sebbene l'NMR sia stato scoperto più di 70 anni fa, ha ancora dei punti vuoti, come la previsione quantitativa del rilassamento dei momenti magnetici nucleari nei solidi dopo l'eccitazione NMR. Questo è un caso particolare che rappresenta un problema più generale di descrivere la dinamica di un gran numero di particelle quantistiche interagenti. La simulazione quantistica diretta è fuori discussione già per poche centinaia di particelle, poiché richiede enormi risorse computazionali non disponibili per l'umanità.

Si è quindi tentati di esplorare un approccio approssimativo basato sulla simulazione del nucleo di un sistema a molte particelle utilizzando la dinamica quantistica, mentre si tratta del resto in modo puramente classico, cioè senza ammettere sovrapposizioni quantistiche. Però, sono proprio le sovrapposizioni quantistiche che rendono l'accoppiamento di dinamica quantistica e classica un compito non banale:un sistema classico è in uno stato in ogni istante nel tempo, considerando che un sistema quantistico può trovarsi contemporaneamente in più stati, proprio come il gatto di Schrödinger che può essere vivo e morto allo stesso tempo. Non è quindi chiaro quale degli stati quantistici sovrapposti governi l'impatto della parte quantistica su quella classica.

ricercatori Skoltech, dottorato di ricerca lo studente Grigory Starkov e il professor Boris Fine, ha superato diversi ostacoli e ha proposto un metodo computazionale ibrido che combina la modellazione quantistica e classica. "Generalmente, la media sulle sovrapposizioni quantistiche riduce significativamente l'azione del nucleo quantistico sull'ambiente classico. Abbiamo trovato un modo per compensare un tale effetto medio, mantenendo intatte le correlazioni dinamiche più essenziali, " ha spiegato Starkov. Il metodo proposto è stato accuratamente testato su vari sistemi valutando le sue prestazioni rispetto a calcoli numerici e risultati sperimentali. Il nuovo metodo dovrebbe offrire capacità più ampie agli scienziati nella simulazione della dinamica magnetica dei nuclei nei solidi, quale, a sua volta, faciliterà la diagnostica NMR di materiali complessi.

"Questo lavoro culmina in anni dei nostri intensi sforzi, " ha detto Fine. "Molte squadre in tutto il mondo hanno tentato di fare tali calcoli negli ultimi 70 anni. Qui siamo riusciti a portare le prestazioni predittive dei calcoli NMR a un nuovo livello. Speriamo che il nostro approccio ibrido trovi ampio uso nel dominio NMR e oltre".