Прорыв в моделировании: учёные нашли способ обойти ограничения суперкомпьютеров

Казалось бы, квантовая физика и классическая механика — два несовместимых мира. Один — про суперпозиции и неопределенности, другой — про чёткие правила. Но ученые из Сколтеха нашли способ объединить их усилия для решения одной из старейших проблем ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Что такое ЯМР и зачем он нужен

Каждый атом — это миниатюрная система с ядром и электронами. Многие ядра ведут себя как крошечные магниты. Под действием радиочастотного магнитного поля они начинают "резонировать" — именно это явление и называется ядерным магнитным резонансом.

С момента открытия ЯМР в XX веке прошло много десятилетий и получено пять Нобелевских премий. Самое известное применение — магнитно-резонансная томография (МРТ). Однако, несмотря на успехи, в теории ЯМР остаются вопросы без чёткого ответа.

Проблема моделирования квантовых систем

Научное сообщество давно сталкивается с трудностью: как точно предсказать реакцию ядерных магнитных моментов в твердых телах при воздействии радиочастотных импульсов? Это задача требует учета динамики множества квантовых частиц — а такие расчёты невозможны даже для самых мощных суперкомпьютеров.

Идея гибридного подхода

Один из способов упростить задачу — использовать квантовое моделирование только для "ядра" системы, а остальное — считать классическим способом. Но тут возникает парадокс: квантовая частица может быть в нескольких состояниях сразу, а классическая — только в одном. Как в таком случае взаимодействует квантовая и классическая часть?

Прорыв от Сколтеха

Аспирант Григорий Старков и профессор Борис Файн предложили изящное решение:

"Идея метода, — поясняет Старков, — состоит в том, чтобы компенсировать влияние усредняющего эффекта квантовых суперпозиций на классическое окружение, не нарушая наиболее важных динамических корреляций".

Их гибридный метод был протестирован на различных системах — и дал отличные результаты. Он не только подтвердил точность в сравнении с прямыми расчётами, но и совпал с экспериментальными данными.

Новые горизонты ЯМР

Разработка значительно расширяет возможности моделирования магнитной динамики в твердых телах. Это открывает путь к более глубокому пониманию сложных материалов и может быть полезно далеко за пределами ЯМР.

"Мы шли к этому много лет. За 70 лет множество групп пытались справиться с этой задачей. Нам удалось продвинуться дальше, — отмечает Файн. — Мы верим, что наш метод найдёт широкое применение".

Уточнения

Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.