Bilhões de pequenas interações ocorrem entre milhares de partículas em cada pedaço de matéria num piscar de olhos. Dizia-se que a simulação dessas interações em toda a sua dinâmica era ilusória, mas agora foi possível por novos trabalhos de pesquisadores de Oxford e Warwick.
Ao fazer isso, eles abriram o caminho para novas descobertas sobre as complexas interações mútuas entre as partículas em ambientes extremos, como o coração de grandes planetas ou a fusão nuclear a laser.
Pesquisadores da Universidade de Warwick e da Universidade de Oxford desenvolveram uma nova maneira de simular sistemas quânticos de muitas partículas que permite a investigação das propriedades dinâmicas de sistemas quânticos totalmente acoplados a íons em movimento lento.
Efetivamente, eles fizeram a simulação dos elétrons quânticos tão rapidamente que poderia durar muito tempo sem restrições e o efeito de seus movimentos no movimento dos íons lentos seria visível.
Relatado na revista Science Advances, é baseado em uma formulação alternativa há muito conhecida da mecânica quântica (dinâmica de Bohm), que os cientistas agora capacitaram para permitir o estudo da dinâmica de grandes sistemas quânticos.
Muitos fenômenos quânticos foram estudados para partículas únicas ou apenas algumas partículas interagentes, pois grandes sistemas quânticos complexos dominam as capacidades teóricas e computacionais dos cientistas para fazer previsões. Isso é complicado pela grande diferença de escala de tempo em que as diferentes espécies de partículas atuam: os íons evoluem milhares de vezes mais lentamente que os elétrons devido à sua maior massa. Para superar esse problema, a maioria dos métodos envolve dissociar elétrons e íons e ignorar a dinâmica de suas interações – mas isso limita severamente nosso conhecimento da dinâmica quântica.
Para desenvolver um método que permita aos cientistas darem conta das interações elétron-íon completas, os pesquisadores reviveram uma antiga formulação alternativa da mecânica quântica desenvolvida por David Bohm. Na mecânica quântica, é necessário conhecer a função de onda de uma partícula. Acontece que descrevê-lo pela trajetória média e uma fase, como feito por Bohm, é muito vantajoso. No entanto, foram necessários um conjunto adicional de aproximações e muitos testes para acelerar os cálculos tão dramáticos quanto necessário. De fato, os novos métodos demonstraram um aumento de velocidade em mais de um fator de 10.000 (quatro ordens de magnitude), mas ainda são consistentes com cálculos anteriores para propriedades estáticas de sistemas quânticos.
A nova abordagem foi aplicada a uma simulação de matéria densa e quente, um estado entre sólidos e plasmas quentes, conhecido por seu acoplamento inerente a todos os tipos de partículas e pela necessidade de uma descrição quântica. Em tais sistemas, os elétrons e os íons podem ter excitações na forma de ondas e as duas ondas se influenciarão. Aqui, a nova abordagem pode mostrar sua força e determinar a influência dos elétrons quânticos nas ondas dos íons clássicos, enquanto as propriedades estáticas foram comprovadas em concordância com os dados anteriores.
Os sistemas quânticos de muitos corpos são o núcleo de muitos problemas científicos, desde a bioquímica complexa em nossos corpos até o comportamento da matéria dentro de grandes planetas ou até mesmo desafios tecnológicos, como supercondutividade a alta temperatura ou energia de fusão, que demonstram a possível gama de aplicações do nova abordagem.
O professor Gianluca Gregori (Oxford), que liderou a investigação, disse: “A mecânica quântica da Bohm foi frequentemente tratada com ceticismo e controvérsia. Na sua formulação original, porém, essa é apenas uma reformulação diferente da mecânica quântica. A vantagem de empregar esse formalismo é que diferentes aproximações se tornam mais simples de implementar e isso pode aumentar a velocidade e a precisão das simulações envolvendo sistemas de muitos corpos “.
O Dr. Dirk Gericke, da Universidade de Warwick, que ajudou no projeto do novo código de computador, disse: “Com esse enorme aumento de eficiência numérica, agora é possível seguir toda a dinâmica de sistemas de íons de elétron que interagem completamente. Assim, a abordagem abre novas classes de problemas para soluções eficientes, em particular onde o sistema está evoluindo ou onde a dinâmica quântica dos elétrons tem um efeito significativo nos íons mais pesados ??ou em todo o sistema.
“Essa nova ferramenta numérica será um grande trunfo ao projetar e interpretar experimentos com matéria densa e quente. A partir de seus resultados, e especialmente quando combinados com experimentos designados, podemos aprender muito sobre matéria em grandes planetas e para pesquisas sobre fusão a laser. No entanto, eu Acreditamos que sua verdadeira força reside em sua universalidade e possíveis aplicações em química quântica ou sólidos fortemente direcionados “.
Publicado em 29/11/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-11-ultrafast-quantum-simulations-approach.html
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