I fisici russi dell'Istituto di scienza e tecnologia di Skolkovo hanno sviluppato un nuovo metodo che consente, combinando calcoli quantistici e classici, di calcolare le dinamiche di grandi sistemi quantistici. Il metodo è stato applicato con successo a problemi di risonanza magnetica nucleare.
Come sapete, qualsiasi oggetto materiale intorno a noi consiste di atomi e atomi, di elettroni caricati negativamente e nuclei caricati positivamente. Molti nuclei atomici, a loro volta, sono minuscoli magneti che possono essere eccitati da un campo magnetico a radiofrequenza, un fenomeno noto come risonanza magnetica nucleare. È stato scoperto nella prima metà del XX secolo e da allora, per la sua scoperta e applicazione, sono stati ricevuti cinque premi Nobel. La sua applicazione più famosa è la risonanza magnetica.
Nonostante oltre mezzo secolo di storia, ci sono ancora problemi irrisolti nella teoria della risonanza magnetica nucleare. Uno di questi è la previsione quantitativa della risposta dei momenti magnetici nucleari nei solidi a un disturbo da un impulso di radiofrequenza. Questo problema è un caso speciale di un problema più generale di descrizione della dinamica di sistemi costituiti da un gran numero di particelle quantistiche. La simulazione al computer diretta di tali sistemi richiede enormi risorse computazionali che nessuno possiede.
Un approccio approssimativo per descrivere i sistemi a molte particelle consiste nell'usare la fisica quantistica solo per modellare la parte centrale del sistema, mentre il resto del sistema è modellato in modo classico, cioè senza sovrapposizioni quantistiche. Tuttavia, in questo approccio, combinare la dinamica quantistica con quella classica è un compito non banale a causa delle stesse sovrapposizioni quantistiche: mentre il sistema classico è in un solo stato alla volta, un sistema quantistico può trovarsi in più stati contemporaneamente: non è chiaro quale di stati in sovrapposizione dovuti all'azione della parte quantistica del sistema su quella classica.
I ricercatori di Skoltech, il dottorando Grigory Starkov e il professor Boris Fine, sono riusciti a proporre un metodo computazionale ibrido che combina modellazione quantistica e classica. L'idea è di compensare l'effetto dell'effetto di media delle sovrapposizioni quantistiche sull'ambiente classico senza interrompere le correlazioni dinamiche più importanti. Il metodo è stato accuratamente testato per vari sistemi, sia tramite confronto con calcoli numerici diretti, sia direttamente con risultati sperimentali. Si prevede che il metodo amplierà in modo significativo la capacità degli scienziati di simulare la dinamica magnetica dei nuclei nei solidi, il che, a sua volta, aiuterà a studiare materiali complessi utilizzando metodi di risonanza magnetica nucleare.
Alexander Ponomarev
