Natuurkundigen van Skoltech hebben een nieuwe methode bedacht om de dynamiek van grote kwantumsystemen te berekenen. Ondersteund door een combinatie van kwantum- en klassieke modellering, de methode is met succes toegepast op kernmagnetische resonantie in vaste stoffen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

Fysieke objecten om ons heen bestaan ​​uit atomen die, beurtelings, bestaan ​​uit negatief geladen elektronen en positief geladen kernen. Veel atoomkernen zijn magnetisch - ze kunnen worden gezien als kleine magneten, die kan worden opgewonden door een oscillerend magnetisch veld. Dit fenomeen dat bekend staat als "nucleaire magnetische resonantie" (NMR) werd ontdekt in de eerste helft van de 20 ^e eeuw. Sindsdien zijn er vijf Nobelprijzen uitgereikt, eerst voor de ontdekking en vervolgens voor verschillende toepassingen van NMR, waarvan magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) de meest prominente is.

Hoewel NMR meer dan 70 jaar geleden werd ontdekt, het heeft nog wat lege plekken, zoals kwantitatieve voorspelling van de relaxatie van kernmagnetische momenten in vaste stoffen na NMR-excitatie. Dit is een specifiek geval dat een meer algemeen probleem vertegenwoordigt bij het beschrijven van de dynamica van een groot aantal op elkaar inwerkende kwantumdeeltjes. Directe kwantumsimulatie is al uitgesloten voor een paar honderd deeltjes, want het vereist enorme rekenkracht die niet beschikbaar is voor de mensheid.

Het is dan verleidelijk om een ​​benadering te onderzoeken die gebaseerd is op het simuleren van de kern van een veeldeeltjessysteem met behulp van kwantumdynamica, terwijl de rest puur klassiek wordt behandeld - dat wil zeggen, zonder kwantumsuperposities toe te laten. Echter, het zijn precies de kwantumsuperposities die de koppeling van kwantum- en klassieke dynamica tot een niet-triviale taak maken:een klassiek systeem bevindt zich op elk moment in één toestand, overwegende dat een kwantumsysteem tegelijkertijd in verschillende toestanden kan zijn, net als de kat van Schrödinger die tegelijkertijd levend en dood kan zijn. Het is dus niet duidelijk welke van de gesuperponeerde kwantumtoestanden de impact van het kwantumgedeelte op de klassieke bepaalt.

Skoltech-onderzoekers, doctoraat student Grigory Starkov en professor Boris Fine, meerdere struikelblokken overwonnen en een hybride computationele methode voorgesteld die kwantum- en klassieke modellering combineert. "In het algemeen, het middelen over kwantumsuperposities vermindert de werking van de kwantumkern op de klassieke omgeving aanzienlijk. We hebben een manier gevonden om een ​​dergelijk middelingseffect te compenseren, terwijl de meest essentiële dynamische correlaties intact blijven, " legde Starkov uit. De voorgestelde methode werd grondig getest op verschillende systemen door de prestaties te evalueren aan de hand van numerieke berekeningen en experimentele resultaten. De nieuwe methode zal naar verwachting bredere mogelijkheden bieden aan wetenschappers bij het simuleren van de magnetische dynamiek van kernen in vaste stoffen, die, beurtelings, zal de NMR-diagnostiek van complexe materialen vergemakkelijken.

"Dit werk is het hoogtepunt van jaren van onze intensieve inspanningen, " zei Fine. "Veel teams over de hele wereld hebben de afgelopen 70 jaar geprobeerd dergelijke berekeningen te maken. Hier zijn we erin geslaagd de voorspellende prestaties van NMR-berekeningen naar een nieuw niveau te tillen. We hopen dat onze hybride aanpak breed zal worden toegepast in het NMR-domein en daarbuiten."