Sinds hij een afgestudeerde student was, De systeemingenieur Jr-Shin Li van de Washington University in St. Louis heeft specifieke wiskundige informatie verstrekt aan experimentatoren en clinici die deze nodig hebben om magnetische resonantietoepassingen met hoge resolutie uit te voeren, zoals lichaams-MRI's voor medische diagnose of spectroscopie voor het blootleggen van eiwitstructuren. Nutsvoorzieningen, na meer dan tien jaar werk, hij heeft een formule ontwikkeld waarmee onderzoekers die informatie zelf kunnen genereren.

Li, de Das Family Career Development Distinguished Associate Professor in de School of Engineering &Applied Science, en zijn medewerkers hebben een wiskundige formule afgeleid om breedbandpulssequenties te ontwerpen om een ​​populatie van kernspins over een brede band van frequenties op te wekken. Een dergelijke breedbandexcitatie leidt tot een verbeterd signaal of een verbeterde gevoeligheid in diverse kwantumexperimenten op verschillende gebieden, van eiwitspectroscopie tot kwantumoptica.

Het onderzoek, de eerste die ontdekte dat het ontwerpen van de puls analytisch kan, werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie 5 september

"Dit ontwerpprobleem wordt traditioneel gedaan door puur numerieke optimalisatie, "Zei Li. "Omdat je een gemeenschappelijke ingang moet ontwerpen - een magnetisch veld om velen op te wekken, veel deeltjes - het probleem is uitdagend. In veel gevallen bij numerieke optimalisatie, de algoritmen slagen er niet in om te convergeren of nemen enorm veel tijd in beslag om een ​​haalbare oplossing te vinden."

Al meer dan een decennium, Li heeft gezocht naar een betere manier voor pulsontwerp met behulp van de gelijkenis tussen spins en veren door numerieke experimenten toe te passen. Spin is een vorm van impulsmoment gedragen door elementaire deeltjes. Spinsystemen zijn niet-lineair en moeilijk om mee te werken, Li zei, terwijl veersystemen, of harmonische oscillatoren, zijn lineair en gemakkelijker om mee te werken. Terwijl een doctoraalstudent aan de Harvard University, Li vond een oplossing door het niet-lineaire spinsysteem op het lineaire veersysteem te projecteren, maar kon het tot voor kort niet wiskundig bewijzen.

"We hebben zeer rigoureus bewijs dat een dergelijke projectie van niet-lineair naar lineair geldig is, en we hebben ook veel numerieke simulaties gedaan om de ontdekking te demonstreren, " zei Li. "Mijn medewerker, Steffan Glaser (van de Technische Universität München), is al meer dan 20 jaar actief op dit gebied van NMR-spectroscopie, en hij is ervan overtuigd dat als de kwantumpulsen goed presteren in computersimulaties, ze kunnen hetzelfde presteren in experimentele systemen."

Het team is van plan verschillende experimenten met magnetische resonantie uit te voeren om de analytische uitvinding te verifiëren.

Het theoretische werk opent nieuwe wegen voor het ontwerpen van pulssequenties in kwantumcontrole. Li is van plan een website te maken waar medewerkers hun parameterwaarden kunnen invoeren om de pulsformule te genereren die ze nodig hebben in hun kwantumexperimenten.