Russiske fysikere fra Skolkovo Institute of Science and Technology har utviklet en ny metode som gjør det mulig å beregne dynamikken til store kvantesystemer ved å kombinere kvante- og klassiske beregninger. Metoden er vellykket brukt på problemer med kjernemagnetisk resonans.
Som du vet, består alle materielle gjenstander rundt oss av atomer og atomer - av negativt ladede elektroner og positivt ladede kjerner. Mange atomkjerner er på sin side bittesmå magneter som kan begeistres av et radiofrekvensmagnetisk felt, et fenomen kjent som kjernemagnetisk resonans. Det ble oppdaget i første halvdel av det tjuende århundre, og siden den gang har det blitt mottatt fem nobelpriser for sin oppdagelse og anvendelse. Den mest kjente applikasjonen er magnetisk resonansavbildning.
Til tross for mer enn et halvt århundre med historie, er det fortsatt uløste problemer i teorien om kjernemagnetisk resonans. En av dem er den kvantitative prediksjonen for responsen fra kjernemagnetiske momenter i faste stoffer til en forstyrrelse av en radiofrekvenspuls. Dette problemet er et spesielt tilfelle av et mer generelt problem med å beskrive dynamikken i systemer som består av et stort antall kvantepartikler. Direkte datasimulering av slike systemer krever enorme beregningsressurser som ingen har.
En tilnærmet tilnærming til å beskrive systemer med mange partikler er å bruke kvantefysikk bare for å modellere den sentrale delen av systemet, mens resten av systemet er klassisk modellert, det vil si uten kvanteoverposisjoner. I denne tilnærmingen er det å kombinere kvantedynamikk med den klassiske imidlertid en ikke-oppgaveoppgave på grunn av de samme kvanteoverposisjonene: mens det klassiske systemet bare er i én tilstand om gangen, kan et kvantesystem være i flere tilstander samtidig: det er ikke klart hvilken av står i superposisjon på grunn av handlingen til kvantedelen av systemet på den klassiske.
Skoltech-forskere, doktorgradsstudent Grigory Starkov og professor Boris Fine, har lyktes med å foreslå en hybrid beregningsmetode som kombinerer kvante- og klassisk modellering. Tanken er å kompensere for effekten av den gjennomsnittlige effekten av kvanteoverposisjoner på det klassiske miljøet uten å bryte de viktigste dynamiske korrelasjonene. Metoden er grundig testet for forskjellige systemer, både ved sammenligning med direkte numeriske beregninger, og direkte med eksperimentelle resultater. Det forventes at metoden vil utvide forskernes evne til å simulere kjernens magnetiske dynamikk i faste stoffer, noe som igjen vil bidra til å studere komplekse materialer ved bruk av kjernemagnetisk resonansmetoder.
Alexander Ponomarev
