Come si comporta un elettrone in un atomo, o come si muove in un solido, può essere previsto con precisione con le equazioni della meccanica quantistica. Questi calcoli teorici concordano pienamente con i risultati ottenuti dagli esperimenti. Ma i sistemi quantistici complessi, che contengono molti elettroni o particelle elementari, come molecole, solidi o nuclei atomici:attualmente non possono essere descritti esattamente, anche con i computer più potenti oggi disponibili. Le equazioni matematiche sottostanti sono troppo complesse, e i requisiti di calcolo sono troppo grandi. Un team guidato dal professor Michael Bonitz dell'Istituto di fisica teorica e astrofisica dell'Università di Kiel (CAU) è ora riuscito a sviluppare un metodo di simulazione, che consente calcoli di meccanica quantistica fino a circa 10, 000 volte più veloce di quanto fosse possibile in precedenza. Hanno pubblicato i loro risultati nell'attuale numero della rinomata rivista scientifica Lettere di revisione fisica .

Anche con computer estremamente potenti, le simulazioni quantistiche richiedono troppo tempo

La nuova procedura dei ricercatori di Kiel si basa su una delle tecniche di simulazione attualmente più potenti e versatili per i sistemi a molti corpi della meccanica quantistica. Utilizza il metodo delle cosiddette funzioni di Green di non equilibrio:questo permette di descrivere movimenti e interazioni complesse di elettroni con altissima precisione, anche per un lungo periodo. Però, ad oggi questo metodo è molto computer-intensive:per prevedere lo sviluppo del sistema quantistico su un periodo dieci volte più lungo, un computer richiede un tempo di elaborazione mille volte superiore.

Con il trucco matematico di introdurre una variabile ausiliaria aggiuntiva, i fisici del CAU sono ora riusciti a riformulare le equazioni primarie delle funzioni di Green di non equilibrio in modo tale che il tempo di calcolo aumenti solo linearmente con la durata del processo. Così, un periodo di previsione dieci volte più lungo richiede solo dieci volte più tempo di calcolo. Rispetto ai metodi precedentemente utilizzati, i fisici hanno raggiunto un fattore di accelerazione di circa 10, 000. Questo fattore aumenta ulteriormente per processi più lunghi. Poiché il nuovo approccio combina per la prima volta due funzioni Green, si chiama "metodo G1-G2".

Sviluppo temporale delle proprietà del materiale prevedibile per la prima volta

Il nuovo modello di calcolo del team di ricerca di Kiel non solo consente di risparmiare tempo di calcolo costoso, ma consente anche simulazioni, che prima erano del tutto impossibili. "Siamo rimasti sorpresi noi stessi che questa drammatica accelerazione possa essere dimostrata anche nelle applicazioni pratiche, " ha spiegato Bonitz. Ad esempio, è ora possibile prevedere come determinate proprietà ed effetti in materiali come i semiconduttori si sviluppano in un lungo periodo di tempo. Bonitz è convinto:"Il nuovo metodo di simulazione è applicabile in numerose aree della teoria quantistica a molti corpi, e consentirà previsioni qualitativamente nuove, come il comportamento degli atomi, molecole, plasmi e solidi densi dopo l'eccitazione da un'intensa radiazione laser."