Les physiciens de Skoltech ont inventé une nouvelle méthode pour calculer la dynamique des grands systèmes quantiques. Soutenu par une combinaison de modélisation quantique et classique, la méthode a été appliquée avec succès à la résonance magnétique nucléaire dans les solides. Les résultats de l'étude ont été publiés dans Examen physique B .

Les objets physiques qui nous entourent sont constitués d'atomes qui, à son tour, sont constitués d'électrons chargés négativement et de noyaux chargés positivement. Beaucoup de noyaux atomiques sont magnétiques - ils peuvent être considérés comme de minuscules aimants, qui peut être excité par un champ magnétique oscillant. Ce phénomène connu sous le nom de "résonance magnétique nucléaire" (RMN) a été découvert dans la première moitié du 20 ^e siècle. Cinq prix Nobel ont été décernés depuis, d'abord pour la découverte puis pour diverses applications de la RMN, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) étant la plus importante d'entre elles.

Bien que la RMN ait été découverte il y a plus de 70 ans, il y a encore des blancs, comme la prédiction quantitative de la relaxation des moments magnétiques nucléaires dans les solides après excitation RMN. Il s'agit d'un cas particulier représentant un problème plus général de description de la dynamique d'un grand nombre de particules quantiques en interaction. La simulation quantique directe est déjà hors de question pour quelques centaines de particules, car cela nécessite d'énormes ressources de calcul non disponibles pour l'humanité.

Il est alors tentant d'explorer une approche approximative basée sur la simulation du cœur d'un système à plusieurs particules en utilisant la dynamique quantique, tout en traitant le reste de manière purement classique, c'est-à-dire sans admettre les superpositions quantiques. Cependant, ce sont précisément les superpositions quantiques qui font du couplage de la dynamique quantique et classique une tâche non triviale :un système classique est dans un état à chaque instant, alors qu'un système quantique peut être simultanément dans plusieurs états, un peu comme le chat de Schrödinger qui peut être vivant et mort en même temps. Il n'est donc pas clair lequel des états quantiques superposés gouverne l'impact de la partie quantique sur la partie classique.

Chercheurs Skoltech, doctorat l'étudiant Grigory Starkov et le professeur Boris Fine, a surmonté plusieurs écueils et a proposé une méthode de calcul hybride combinant la modélisation quantique et classique. "En général, le moyennage sur les superpositions quantiques réduit significativement l'action du noyau quantique sur l'environnement classique. Nous avons trouvé un moyen de compenser un tel effet de moyenne, tout en gardant intactes les corrélations dynamiques les plus essentielles, " Starkov a expliqué. La méthode proposée a été testée de manière approfondie sur divers systèmes en évaluant ses performances par rapport à des calculs numériques et des résultats expérimentaux. La nouvelle méthode devrait offrir des capacités plus larges aux scientifiques pour simuler la dynamique magnétique des noyaux dans les solides, lequel, à son tour, facilitera le diagnostic RMN de matériaux complexes.

"Ce travail est l'aboutissement d'années de nos efforts intensifs, " a déclaré Fine. "De nombreuses équipes à travers le monde ont tenté de faire de tels calculs au cours des 70 dernières années. Ici, nous avons réussi à faire progresser les performances prédictives des calculs RMN à un nouveau niveau. Nous espérons que notre approche hybride trouvera une large utilisation dans le domaine de la RMN et au-delà."