Forskere finder en måde at forbinde kvante og klassisk fysik

Fysikere fra Skoltech har opfundet en ny metode til beregning af dynamikken i store kvantesystemer. Underbygget af en kombination af kvante- og klassisk modellering, metoden er blevet anvendt med succes på nuklear magnetisk resonans i faste stoffer. Resultaterne af undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B .

Fysiske objekter omkring os består af atomer, som, på tur, består af negativt ladede elektroner og positivt ladede kerner. Mange af atomkerner er magnetiske - de kan betragtes som små magneter, som kan blive ophidset af et oscillerende magnetfelt. Dette fænomen kendt som "nuklear magnetisk resonans" (NMR) blev opdaget i første halvdel af 20 ^th århundrede. Fem nobelpriser er blevet uddelt siden da, først til opdagelsen og derefter til forskellige anvendelser af NMR - magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) er den mest fremtrædende af dem.

Selvom NMR blev opdaget for mere end 70 år siden, den har stadig nogle tomme pletter, såsom kvantitativ forudsigelse af lempelse af nukleare magnetiske momenter i faste stoffer efter NMR -excitation. Dette er et særligt tilfælde, der repræsenterer et mere generelt problem med at beskrive dynamikken i et stort antal interagerende kvantepartikler. Direkte kvantesimulering er allerede udelukket for et par hundrede partikler, for det kræver enorme beregningsressourcer, der ikke er tilgængelige for menneskeheden.

Det er derefter fristende at undersøge en omtrentlig tilgang baseret på at simulere kernen i et system med mange partikler ved hjælp af kvantedynamik, mens man beskæftiger sig med resten rent klassisk - det vil sige uden at indrømme kvante -superpositioner. Imidlertid, det er netop kvante-superpositionerne, der gør koblingen af ​​kvante og klassisk dynamik til en ikke-triviel opgave:et klassisk system er i en tilstand på hvert tidspunkt, der henviser til, at et kvantesystem kan være samtidigt i flere tilstande, meget ligesom Schrödingers kat, der kan være levende og død på samme tid. Det er således ikke klart, hvilken af ​​de overlejrede kvantetilstande, der styrer kvantedelens indvirkning på den klassiske.

Skoltech -forskere, Ph.d. studerende Grigory Starkov og professor Boris Fine, overvandt flere snublesten og foreslog en hybrid beregningsmetode, der kombinerer kvante- og klassisk modellering. "Generelt, gennemsnittet over kvante -superpositoner reducerer kvantekernens virkning betydeligt på det klassiske miljø. Vi fandt en måde at kompensere en sådan gennemsnitlig effekt på, samtidig med at de mest essentielle dynamiske korrelationer forbliver intakte, "Starkov forklarede. Den foreslåede metode blev grundigt testet på forskellige systemer ved at evaluere dens ydeevne i forhold til numeriske beregninger og eksperimentelle resultater. Den nye metode forventes at tilbyde videnskabsmænd bredere muligheder for at simulere magnetiske dynamikker i kerner i faste stoffer, hvilken, på tur, vil lette NMR -diagnostikken af ​​komplekse materialer.

"Dette arbejde kulminerer år med vores intensive indsats, "sagde Fine." Mange hold rundt om i verden forsøgte at foretage sådanne beregninger i løbet af de sidste 70 år. Her lykkedes det os at fremme den forudsigelige præstation af NMR -beregninger til et nyt niveau. Vi håber, at vores hybrid -tilgang vil finde bred anvendelse i NMR -domænet og videre. "