Fizicienii ruși de la Institutul de Știință și Tehnologie Skolkovo au dezvoltat o nouă metodă care permite, prin combinarea calculelor cuantice și clasice, să calculeze dinamica sistemelor cuantice mari. Metoda a fost aplicată cu succes la problemele de rezonanță magnetică nucleară.
După cum știți, orice obiect material din jurul nostru este format din atomi și atomi - din electroni încărcați negativ și nuclei încărcați pozitiv. La rândul lor, mulți nuclei atomici sunt magneți minusculi care pot fi excitați de un câmp magnetic de frecvență radio, fenomen cunoscut sub numele de rezonanță magnetică nucleară. A fost descoperită în prima jumătate a secolului XX și de atunci au fost primite cinci premii Nobel pentru descoperirea și aplicarea sa. Cea mai cunoscută aplicație a acesteia este imagistica prin rezonanță magnetică.
În ciuda a mai mult de jumătate de secol de istorie, există încă probleme nerezolvate în teoria rezonanței magnetice nucleare. Una dintre ele este predicția cantitativă a răspunsului momentelor magnetice nucleare în solide la o perturbare de către un impuls de frecvență radio. Această problemă este un caz special al unei probleme mai generale de descriere a dinamicii sistemelor constând dintr-un număr mare de particule cuantice. Simularea computerizată directă a acestor sisteme necesită resurse de calcul enorme, pe care nimeni nu le deține.
O abordare aproximativă a descrierii sistemelor cu multe particule este de a utiliza fizica cuantică numai pentru a modela partea centrală a sistemului, în timp ce restul sistemului este modelat clasic, adică fără suprapuneri cuantice. Cu toate acestea, în această abordare, combinarea dinamicii cuantice cu cea clasică este o sarcină netrivială datorită acelorași superpoziții cuantice: în timp ce sistemul clasic este într-o singură stare la un moment dat, un sistem cuantic poate fi în mai multe stări simultan: nu este clar care dintre stă în suprapunere datorită acțiunii părții cuantice a sistemului asupra celei clasice.
Cercetătorii de la Skoltech, studentul absolvent Grigory Starkov și profesorul Boris Fine, au reușit să propună o metodă de calcul hibrid care să combine modelul cuantic și clasic. Ideea este de a compensa efectul de medie a superpozițiilor cuantice asupra mediului clasic, fără a rupe cele mai importante corelații dinamice. Metoda a fost testată amănunțit pentru diverse sisteme, atât prin comparație cu calcule numerice directe, cât și direct cu rezultate experimentale. Se așteaptă ca metoda să extindă semnificativ capacitatea oamenilor de știință de a simula dinamica magnetică a nucleelor din solide, care, la rândul său, va ajuta la studierea materialelor complexe folosind metode de rezonanță magnetică nucleară.
Alexandru Ponomarev
