Miljarden kleine interacties vinden in een oogwenk plaats tussen duizenden deeltjes in elk stukje materie. Het simuleren van deze interacties in hun volledige dynamiek zou ongrijpbaar zijn, maar is nu mogelijk gemaakt door nieuw werk van onderzoekers uit Oxford en Warwick.

Daarbij, ze hebben de weg vrijgemaakt voor nieuwe inzichten in de complexe onderlinge interacties tussen de deeltjes in extreme omgevingen zoals in het hart van grote planeten of laserkernfusie.

Onderzoekers van de Universiteit van Warwick en de Universiteit van Oxford hebben een nieuwe manier ontwikkeld om kwantumsystemen van veel deeltjes te simuleren waarmee de dynamische eigenschappen van kwantumsystemen volledig gekoppeld aan langzaam bewegende ionen kunnen worden onderzocht.

Effectief, ze hebben de simulatie van de kwantumelektronen zo snel gemaakt dat het extreem lang zou kunnen duren zonder beperkingen en het effect van hun beweging op de beweging van de langzame ionen zou zichtbaar zijn.

Gerapporteerd in het journaal wetenschappelijke vooruitgang , het is gebaseerd op een al lang bekende alternatieve formulering van de kwantummechanica (Bohm-dynamica), die de wetenschappers nu hebben gemachtigd om de dynamiek van grote kwantumsystemen te bestuderen.

Er zijn veel kwantumfenomenen bestudeerd voor enkele of slechts een paar interagerende deeltjes, aangezien grote complexe kwantumsystemen de theoretische en computationele mogelijkheden van wetenschappers om voorspellingen te doen te overweldigen. Dit wordt gecompliceerd door het enorme tijdsverschil waarop de verschillende deeltjessoorten reageren:ionen evolueren duizenden keren langzamer dan elektronen vanwege hun grotere massa. Om dit probleem op te lossen, de meeste methoden omvatten het ontkoppelen van elektronen en ionen en het negeren van de dynamiek van hun interacties, maar dit beperkt onze kennis van kwantumdynamica ernstig.

Om een ​​methode te ontwikkelen waarmee wetenschappers rekening kunnen houden met de volledige elektron-ion-interacties, de onderzoekers nieuw leven ingeblazen een oude alternatieve formulering van de kwantummechanica ontwikkeld door David Bohm. In de kwantummechanica, men moet de golffunctie van een deeltje kennen. Het blijkt dat door het te beschrijven aan de hand van het gemiddelde traject en een fase, zoals gedaan door Bohm, is zeer voordelig. Echter, er waren een extra reeks benaderingen en veel tests nodig om de berekeningen zo dramatisch te maken als nodig was. Inderdaad, de nieuwe methoden lieten een snelheidstoename van meer dan een factor 10 zien, 000 (vier ordes van grootte), maar is nog steeds consistent met eerdere berekeningen voor statische eigenschappen van kwantumsystemen.

De nieuwe benadering werd vervolgens toegepast op een simulatie van warme dichte materie, een toestand tussen vaste stoffen en hete plasma's, dat bekend staat om zijn inherente koppeling van alle soorten deeltjes en de behoefte aan een kwantumbeschrijving. In dergelijke systemen, zowel de elektronen als de ionen kunnen excitaties hebben in de vorm van golven en beide golven zullen elkaar beïnvloeden. Hier, de nieuwe benadering kan zijn kracht bewijzen en de invloed van de kwantumelektronen op de golven van de klassieke ionen bepalen, terwijl de statische eigenschappen bleken overeen te komen met eerdere gegevens.

Quantumsystemen met veel lichamen vormen de kern van veel wetenschappelijke problemen, variërend van de complexe biochemie in ons lichaam tot het gedrag van materie in grote planeten of zelfs technologische uitdagingen zoals supergeleiding bij hoge temperaturen of fusie-energie, wat het mogelijke scala aan toepassingen van de nieuwe aanpak.

Prof Gianluca Gregori (Oxford), die het onderzoek leidde, zei:"Bohm-kwantummechanica is vaak met scepsis en controverse behandeld. In zijn oorspronkelijke formulering, echter, dit is gewoon een andere herformulering van de kwantummechanica. Het voordeel van het gebruik van dit formalisme is dat verschillende benaderingen eenvoudiger te implementeren worden en dit kan de snelheid en nauwkeurigheid van simulaties met veellichamensystemen verhogen."

Dr. Dirk Gericke van de Universiteit van Warwick, die hielpen bij het ontwerpen van de nieuwe computercode, zei:"Met deze enorme toename van de numerieke efficiëntie, het is nu mogelijk om de volledige dynamiek van volledig op elkaar inwerkende elektron-ionsystemen te volgen. Deze nieuwe benadering opent dus nieuwe klassen van problemen voor efficiënte oplossingen, vooral, waar ofwel het systeem evolueert of waar de kwantumdynamica van de elektronen een significant effect heeft op de zwaardere ionen of het hele systeem.

"Dit nieuwe numerieke hulpmiddel zal een grote aanwinst zijn bij het ontwerpen en interpreteren van experimenten op warme, dichte materie. Uit de resultaten blijkt dat en vooral in combinatie met aangewezen experimenten, we kunnen veel leren over materie in grote planeten en voor onderzoek naar laserfusie. Echter, Ik geloof dat zijn ware kracht ligt in zijn universaliteit en mogelijke toepassingen in de kwantumchemie of sterk aangedreven vaste stoffen."