Puisqu'il était étudiant diplômé, L'ingénieur système de l'Université de Washington à St. Louis, Jr-Shin Li, a fourni des informations mathématiques spécifiques aux expérimentateurs et aux cliniciens qui en ont besoin pour effectuer des applications de résonance magnétique à haute résolution, telles que les IRM corporelles pour le diagnostic médical ou la spectroscopie pour découvrir les structures protéiques. Maintenant, après plus d'une décennie de travail, il a développé une formule que les chercheurs peuvent utiliser pour générer eux-mêmes ces informations.

Li, le Das Family Career Development Distinguished Associate Professor à la School of Engineering &Applied Science, et ses collaborateurs ont dérivé une formule mathématique pour concevoir des séquences d'impulsions à large bande pour exciter une population de spins nucléaires sur une large bande de fréquences. Une telle excitation à large bande conduit à un signal ou à une sensibilité améliorés dans diverses expériences quantiques dans des domaines allant de la spectroscopie des protéines à l'optique quantique.

La recherche, le premier à découvrir que la conception de l'impulsion peut se faire de manière analytique, a été publié dans Communication Nature 5 septembre.

"Ce problème de conception se fait traditionnellement par optimisation purement numérique, " dit Li. " Parce que l'on doit concevoir une entrée commune - un champ magnétique pour exciter plusieurs, beaucoup de particules—le problème est difficile. Dans de nombreux cas en optimisation numérique, les algorithmes ne parviennent pas à converger ou prennent énormément de temps pour obtenir une solution réalisable."

Depuis plus d'une décennie, Li a cherché un meilleur moyen de concevoir des impulsions en utilisant la similitude entre les spins et les ressorts en appliquant des expériences numériques. Le spin est une forme de moment cinétique porté par des particules élémentaires. Les systèmes de spin sont non linéaires et difficiles à travailler, Li a dit, tandis que les systèmes à ressort, ou oscillateurs harmoniques, sont linéaires et plus faciles à travailler. Alors qu'il était étudiant au doctorat à l'Université Harvard, Li a trouvé une solution en projetant le système de spin non linéaire sur le système de ressort linéaire, mais n'a pas pu le prouver mathématiquement jusqu'à récemment.

"Nous avons la preuve très rigoureuse qu'une telle projection de non linéaire à linéaire est valide, et nous avons également fait beaucoup de simulations numériques pour démontrer la découverte, " dit Li. " Mon collaborateur, Steffan Glaser (de la Technische Universität Munich), est dans ce domaine de la spectroscopie RMN depuis plus de 20 ans, et il est convaincu que si les impulsions quantiques fonctionnent bien dans les simulations informatiques, ils peuvent effectuer la même chose dans les systèmes expérimentaux.

L'équipe prévoit de mener diverses expériences en résonance magnétique pour vérifier l'invention analytique.

Les travaux théoriques ouvrent de nouvelles voies pour la conception de séquences d'impulsions en contrôle quantique. Li prévoit de créer un site Web où les collaborateurs peuvent entrer leurs valeurs de paramètres pour générer la formule d'impulsion dont ils auront besoin dans leurs expériences quantiques.