Russische Physiker vom Skolkovo-Institut für Wissenschaft und Technologie haben eine neue Methode entwickelt, mit der durch Kombination von Quanten- und klassischen Berechnungen die Dynamik großer Quantensysteme berechnet werden kann. Das Verfahren wurde erfolgreich auf Probleme der Kernspinresonanz angewendet.
Wie Sie wissen, besteht jedes materielle Objekt um uns herum aus Atomen und Atomen - aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Kernen. Viele Atomkerne sind wiederum winzige Magnete, die durch ein hochfrequentes Magnetfeld angeregt werden können, ein Phänomen, das als Kernspinresonanz bekannt ist. Es wurde in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entdeckt und seitdem wurden für seine Entdeckung und Anwendung fünf Nobelpreise vergeben. Die bekannteste Anwendung ist die Magnetresonanztomographie.
Trotz mehr als einem halben Jahrhundert Geschichte gibt es immer noch ungelöste Probleme in der Theorie der Kernspinresonanz. Eine davon ist die quantitative Vorhersage der Reaktion von magnetischen Kernmomenten in Festkörpern auf eine Störung durch einen Hochfrequenzimpuls. Dieses Problem ist ein Sonderfall eines allgemeineren Problems der Beschreibung der Dynamik von Systemen, die aus einer großen Anzahl von Quantenteilchen bestehen. Die direkte Computersimulation solcher Systeme erfordert enorme Rechenressourcen, die niemand besitzt.
Ein ungefährer Ansatz zur Beschreibung von Vielteilchensystemen besteht darin, die Quantenphysik nur zur Modellierung des zentralen Teils des Systems zu verwenden, während der Rest des Systems klassisch, dh ohne Quantenüberlagerungen, modelliert wird. Bei diesem Ansatz ist die Kombination der Quantendynamik mit der klassischen ein nicht triviales Problem aufgrund derselben Quantenüberlagerungen: Während sich das klassische System jeweils nur in einem Zustand befindet, kann sich ein Quantensystem gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden: Es ist nicht klar, welcher von Zustände in Überlagerung aufgrund der Wirkung des Quantenteils des Systems auf den klassischen.
Den Skoltech-Forschern, dem Doktoranden Grigory Starkov und Professor Boris Fine, ist es gelungen, eine hybride Berechnungsmethode vorzuschlagen, die Quanten- und klassische Modellierung kombiniert. Die Idee ist, den Effekt des Mittelungseffekts von Quantenüberlagerungen auf die klassische Umgebung zu kompensieren, ohne die wichtigsten dynamischen Korrelationen zu brechen. Die Methode wurde für verschiedene Systeme gründlich getestet, sowohl durch Vergleich mit direkten numerischen Berechnungen als auch direkt mit experimentellen Ergebnissen. Es wird erwartet, dass die Methode die Fähigkeit von Wissenschaftlern, die magnetische Dynamik von Kernen in Festkörpern zu simulieren, erheblich erweitern wird, was wiederum dazu beitragen wird, komplexe Materialien mithilfe von Kernspinresonanzmethoden zu untersuchen.
Alexander Ponomarev
