Los físicos rusos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo han desarrollado un nuevo método que permite, mediante la combinación de cálculos cuánticos y clásicos, calcular la dinámica de grandes sistemas cuánticos. El método se ha aplicado con éxito a problemas de resonancia magnética nuclear.
Como saben, cualquier objeto material que nos rodea consta de átomos y átomos, de electrones cargados negativamente y núcleos cargados positivamente. Muchos núcleos atómicos, a su vez, son pequeños imanes que pueden ser excitados por un campo magnético de radiofrecuencia, un fenómeno conocido como resonancia magnética nuclear. Fue descubierto en la primera mitad del siglo XX y desde entonces, por su descubrimiento y aplicación, se han recibido cinco premios Nobel. Su aplicación más famosa es la resonancia magnética.
A pesar de más de medio siglo de historia, todavía existen problemas sin resolver en la teoría de la resonancia magnética nuclear. Uno de ellos es la predicción cuantitativa de la respuesta de momentos magnéticos nucleares en sólidos a una perturbación por un pulso de radiofrecuencia. Este problema es un caso especial de un problema más general de describir la dinámica de sistemas que constan de un gran número de partículas cuánticas. La simulación directa por computadora de tales sistemas requiere enormes recursos computacionales que nadie posee.
Un enfoque aproximado para describir sistemas de muchas partículas es usar la física cuántica solo para modelar la parte central del sistema, mientras que el resto del sistema se modela de manera clásica, es decir, sin superposiciones cuánticas. Sin embargo, en este enfoque, combinar la dinámica cuántica con la clásica es una tarea no trivial debido a las mismas superposiciones cuánticas: mientras que el sistema clásico está en un solo estado a la vez, un sistema cuántico puede estar en varios estados simultáneamente: no está claro cuál de estados en superposición debido a la acción de la parte cuántica del sistema sobre la clásica.
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Los investigadores de Skoltech, el estudiante graduado Grigory Starkov y el profesor Boris Fine, han logrado proponer un método computacional híbrido que combina el modelado cuántico y clásico. La idea es compensar el efecto del efecto promedio de las superposiciones cuánticas en el entorno clásico sin romper las correlaciones dinámicas más importantes. El método ha sido probado exhaustivamente para varios sistemas, tanto por comparación con cálculos numéricos directos como directamente con resultados experimentales. Se espera que el método amplíe significativamente la capacidad de los científicos para simular la dinámica magnética de núcleos en sólidos, lo que, a su vez, ayudará a estudiar materiales complejos utilizando métodos de resonancia magnética nuclear.
Alexander Ponomarev
