Miliardi di minuscole interazioni si verificano tra migliaia di particelle in ogni pezzo di materia in un batter d'occhio. Si diceva che la simulazione di queste interazioni nella loro piena dinamica fosse elusiva, ma ora è stata resa possibile dal nuovo lavoro dei ricercatori di Oxford e Warwick.

Così facendo, hanno aperto la strada a nuove intuizioni sulle complesse interazioni reciproche tra le particelle in ambienti estremi come il cuore di grandi pianeti o la fusione nucleare laser.

I ricercatori dell'Università di Warwick e dell'Università di Oxford hanno sviluppato un nuovo modo per simulare i sistemi quantistici di molte particelle che consente di studiare le proprietà dinamiche dei sistemi quantistici completamente accoppiati a ioni che si muovono lentamente.

Effettivamente, hanno reso la simulazione degli elettroni quantistici così veloce che potrebbe durare estremamente a lungo senza restrizioni e l'effetto del loro movimento sul movimento degli ioni lenti sarebbe visibile.

Segnalato sul giornale Progressi scientifici , si basa su una formulazione alternativa nota da tempo della meccanica quantistica (dinamica di Bohm), che gli scienziati hanno ora autorizzato a consentire lo studio della dinamica di grandi sistemi quantistici.

Molti fenomeni quantistici sono stati studiati per singole o poche particelle interagenti poiché i grandi sistemi quantistici complessi sovrastano le capacità teoriche e computazionali degli scienziati di fare previsioni. Ciò è complicato dalla grande differenza nella scala temporale su cui agiscono le diverse specie di particelle:gli ioni evolvono migliaia di volte più lentamente degli elettroni a causa della loro massa maggiore. Per superare questo problema, la maggior parte dei metodi implica il disaccoppiamento di elettroni e ioni e l'ignoranza della dinamica delle loro interazioni, ma questo limita fortemente la nostra conoscenza della dinamica quantistica.

Per sviluppare un metodo che permetta agli scienziati di spiegare le interazioni complete elettrone-ione, i ricercatori hanno ripreso una vecchia formulazione alternativa della meccanica quantistica sviluppata da David Bohm. Nella meccanica quantistica, bisogna conoscere la funzione d'onda di una particella. Si scopre che descrivendolo con la traiettoria media e una fase, come fatto da Bohm, è molto vantaggioso. Però, ci sono voluti una serie aggiuntiva di approssimazioni e molti test per accelerare i calcoli tanto quanto richiesto. Infatti, i nuovi metodi hanno dimostrato un aumento della velocità di oltre un fattore 10, 000 (quattro ordini di grandezza), tuttavia è ancora coerente con i calcoli precedenti per le proprietà statiche dei sistemi quantistici.

Il nuovo approccio è stato quindi applicato a una simulazione di materia densa calda, uno stato tra solidi e plasmi caldi, che è noto per il suo accoppiamento intrinseco di tutti i tipi di particelle e la necessità di una descrizione quantistica. In tali sistemi, sia gli elettroni che gli ioni possono avere eccitazioni sotto forma di onde ed entrambe le onde si influenzeranno a vicenda. Qui, il nuovo approccio può mostrare la sua forza e determinare l'influenza degli elettroni quantistici sulle onde degli ioni classici mentre le proprietà statiche si sono dimostrate in accordo con i dati precedenti.

I sistemi quantistici a molti corpi sono il fulcro di molti problemi scientifici che vanno dalla complessa biochimica nei nostri corpi al comportamento della materia all'interno di grandi pianeti o persino sfide tecnologiche come la superconduttività ad alta temperatura o l'energia di fusione che dimostra la possibile gamma di applicazioni del nuovo approccio.

Prof Gianluca Gregori (Oxford), che ha condotto le indagini, ha detto:"La meccanica quantistica di Bohm è stata spesso trattata con scetticismo e polemiche. Nella sua formulazione originale, però, questa è solo una diversa riformulazione della meccanica quantistica. Il vantaggio nell'impiegare questo formalismo è che le diverse approssimazioni diventano più semplici da implementare e questo può aumentare la velocità e l'accuratezza delle simulazioni che coinvolgono sistemi a molti corpi".

Il dottor Dirk Gericke dell'Università di Warwick, che ha assistito alla progettazione del nuovo codice informatico, ha dichiarato:"Con questo enorme aumento di efficienza numerica, è ora possibile seguire l'intera dinamica dei sistemi elettrone-ione completamente interagenti. Questo nuovo approccio apre così nuove classi di problemi per soluzioni efficienti, in particolare, dove il sistema si sta evolvendo o dove la dinamica quantistica degli elettroni ha un effetto significativo sugli ioni più pesanti o sull'intero sistema.

"Questo nuovo strumento numerico sarà una grande risorsa durante la progettazione e l'interpretazione di esperimenti sulla materia densa calda. Dai suoi risultati, e specialmente se combinato con esperimenti designati, possiamo imparare molto sulla materia nei grandi pianeti e per la ricerca sulla fusione laser. Però, Credo che la sua vera forza risieda nella sua universalità e nelle possibili applicazioni nella chimica quantistica o nei solidi fortemente guidati".