Des physiciens russes de l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo ont développé une nouvelle méthode qui permet, en combinant des calculs quantiques et classiques, de calculer la dynamique de grands systèmes quantiques. La méthode a été appliquée avec succès aux problèmes de résonance magnétique nucléaire.
Comme vous le savez, tout objet matériel autour de nous se compose d'atomes et d'atomes - d'électrons chargés négativement et de noyaux chargés positivement. De nombreux noyaux atomiques, à leur tour, sont de minuscules aimants qui peuvent être excités par un champ magnétique de radiofréquence, un phénomène connu sous le nom de résonance magnétique nucléaire. Il a été découvert dans la première moitié du XXe siècle et depuis lors, pour sa découverte et son application, cinq prix Nobel ont été reçus. Son application la plus connue est l'imagerie par résonance magnétique.
Malgré plus d'un demi-siècle d'histoire, il reste des problèmes non résolus dans la théorie de la résonance magnétique nucléaire. L'un d'eux est la prédiction quantitative de la réponse des moments magnétiques nucléaires dans les solides à une perturbation par une impulsion de radiofréquence. Ce problème est un cas particulier d'un problème plus général de description de la dynamique de systèmes constitués d'un grand nombre de particules quantiques. La simulation informatique directe de tels systèmes nécessite d'énormes ressources de calcul que personne ne possède.
Une approche approximative pour décrire les systèmes à plusieurs particules consiste à utiliser la physique quantique uniquement pour modéliser la partie centrale du système, tandis que le reste du système est modélisé de manière classique, c'est-à-dire sans superpositions quantiques. Cependant, dans cette approche, combiner la dynamique quantique avec la dynamique classique est une tâche non triviale due aux mêmes superpositions quantiques: alors que le système classique est dans un seul état à la fois, un système quantique peut être dans plusieurs états simultanément: on ne sait pas lequel des états en superposition dus à l'action de la partie quantique du système sur la partie classique.
Les chercheurs de Skoltech, l'étudiant diplômé Grigory Starkov et le professeur Boris Fine, ont réussi à proposer une méthode de calcul hybride combinant la modélisation quantique et classique. L'idée est de compenser l'effet de l'effet de moyenne des superpositions quantiques sur l'environnement classique sans casser les corrélations dynamiques les plus importantes. La méthode a été minutieusement testée pour divers systèmes, à la fois par comparaison avec des calculs numériques directs et directement avec des résultats expérimentaux. On s'attend à ce que la méthode élargisse considérablement la capacité des scientifiques à simuler la dynamique magnétique des noyaux dans les solides, ce qui, à son tour, aidera à étudier des matériaux complexes à l'aide de méthodes de résonance magnétique nucléaire.
Alexandre Ponomarev