Físicos russos do Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia desenvolveram um novo método que permite, combinando cálculos quânticos e clássicos, calcular a dinâmica de grandes sistemas quânticos. O método foi aplicado com sucesso a problemas de ressonância magnética nuclear.
Como você sabe, qualquer objeto material ao nosso redor consiste em átomos e átomos - de elétrons com carga negativa e núcleos com carga positiva. Muitos núcleos atômicos, por sua vez, são pequenos ímãs que podem ser excitados por um campo magnético de radiofrequência, fenômeno conhecido como ressonância magnética nuclear. Foi descoberto na primeira metade do século XX e, desde então, por sua descoberta e aplicação, cinco prêmios Nobel foram recebidos. Sua aplicação mais famosa é a ressonância magnética.
Apesar de mais de meio século de história, ainda existem problemas não resolvidos na teoria da ressonância magnética nuclear. Um deles é a previsão quantitativa da resposta de momentos magnéticos nucleares em sólidos a uma perturbação por um pulso de radiofrequência. Esse problema é um caso especial de um problema mais geral de descrição da dinâmica de sistemas que consistem em um grande número de partículas quânticas. A simulação direta de computador de tais sistemas requer enormes recursos computacionais que ninguém possui.
Uma abordagem aproximada para descrever sistemas de muitas partículas é usar a física quântica apenas para modelar a parte central do sistema, enquanto o resto do sistema é modelado classicamente, ou seja, sem superposições quânticas. No entanto, nesta abordagem, combinar a dinâmica quântica com a clássica é um problema não trivial devido às mesmas superposições quânticas: enquanto o sistema clássico está em apenas um estado por vez, um sistema quântico pode estar em vários estados simultaneamente: não está claro qual dos estados em superposição devido à ação da parte quântica do sistema sobre o clássico.
Os pesquisadores da Skoltech, o estudante de graduação Grigory Starkov e o professor Boris Fine, conseguiram propor um método computacional híbrido que combina modelagem quântica e clássica. A ideia é compensar o efeito do efeito de média das superposições quânticas no ambiente clássico sem quebrar as correlações dinâmicas mais importantes. O método foi exaustivamente testado para vários sistemas, tanto por comparação com cálculos numéricos diretos, como diretamente com resultados experimentais. Espera-se que o método amplie significativamente a capacidade dos cientistas de simular a dinâmica magnética de núcleos em sólidos, o que, por sua vez, ajudará no estudo de materiais complexos por meio de métodos de ressonância magnética nuclear.
Alexander Ponomarev
