Miles de millones de pequeñas interacciones ocurren entre miles de partículas en cada pieza de materia en un abrir y cerrar de ojos. Se dijo que la simulación de estas interacciones en su dinámica completa era difícil de alcanzar, pero ahora ha sido posible gracias a un nuevo trabajo de investigadores de Oxford y Warwick.

Al hacerlo, han allanado el camino para nuevos conocimientos sobre las complejas interacciones mutuas entre las partículas en entornos extremos como el corazón de grandes planetas o la fusión nuclear láser.

Investigadores de la Universidad de Warwick y la Universidad de Oxford han desarrollado una nueva forma de simular sistemas cuánticos de muchas partículas que permite investigar las propiedades dinámicas de los sistemas cuánticos completamente acoplados a iones que se mueven lentamente.

Efectivamente, han hecho que la simulación de los electrones cuánticos sea tan rápida que podría funcionar durante mucho tiempo sin restricciones y el efecto de su movimiento sobre el movimiento de los iones lentos sería visible.

Reportado en la revista Avances de la ciencia , se basa en una formulación alternativa conocida desde hace mucho tiempo de la mecánica cuántica (dinámica de Bohm), que los científicos han autorizado ahora para permitir el estudio de la dinámica de grandes sistemas cuánticos.

Se han estudiado muchos fenómenos cuánticos para una o unas pocas partículas que interactúan, ya que los grandes sistemas cuánticos complejos dominan las capacidades teóricas y computacionales de los científicos para hacer predicciones. Esto se complica por la gran diferencia en la escala de tiempo sobre la que actúan las diferentes especies de partículas:los iones evolucionan miles de veces más lentamente que los electrones debido a su mayor masa. Para superar este problema, la mayoría de los métodos implican desacoplar electrones e iones e ignorar la dinámica de sus interacciones, pero esto limita severamente nuestro conocimiento de la dinámica cuántica.

Desarrollar un método que permita a los científicos tener en cuenta todas las interacciones electrón-ión, los investigadores revivieron una antigua formulación alternativa de la mecánica cuántica desarrollada por David Bohm. En mecánica cuántica, es necesario conocer la función de onda de una partícula. Resulta que al describirlo por la trayectoria media y una fase, como lo hizo Bohm, es muy ventajoso. Sin embargo, Se necesitó un conjunto adicional de aproximaciones y muchas pruebas para acelerar los cálculos tan dramáticamente como fuera necesario. En efecto, los nuevos métodos demostraron un aumento de la velocidad en más de un factor de 10, 000 (cuatro órdenes de magnitud), sin embargo, sigue siendo coherente con los cálculos anteriores para las propiedades estáticas de los sistemas cuánticos.

El nuevo enfoque se aplicó luego a una simulación de materia densa cálida, un estado entre sólidos y plasmas calientes, que es conocido por su acoplamiento inherente de todos los tipos de partículas y la necesidad de una descripción cuántica. En tales sistemas, tanto los electrones como los iones pueden tener excitaciones en forma de ondas y ambas ondas se influirán entre sí. Aquí, el nuevo enfoque puede mostrar su fuerza y ​​determinó la influencia de los electrones cuánticos en las ondas de los iones clásicos, mientras que se demostró que las propiedades estáticas concuerdan con los datos anteriores.

Los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son el núcleo de muchos problemas científicos que van desde la compleja bioquímica de nuestros cuerpos hasta el comportamiento de la materia dentro de grandes planetas o incluso desafíos tecnológicos como la superconductividad de alta temperatura o la energía de fusión, lo que demuestra la posible gama de aplicaciones de la tecnología. nuevo enfoque.

Profesor Gianluca Gregori (Oxford), quien dirigió la investigación, dijo:"La mecánica cuántica de Bohm a menudo ha sido tratada con escepticismo y controversia. En su formulación original, sin embargo, esta es solo una reformulación diferente de la mecánica cuántica. La ventaja de emplear este formalismo es que las diferentes aproximaciones se vuelven más simples de implementar y esto puede aumentar la velocidad y precisión de las simulaciones que involucran sistemas de muchos cuerpos ".

Dr. Dirk Gericke de la Universidad de Warwick, que ayudó en el diseño del nuevo código informático, dijo:"Con este enorme aumento de la eficiencia numérica, Ahora es posible seguir la dinámica completa de los sistemas de iones y electrones que interactúan plenamente. Este nuevo enfoque abre así nuevas clases de problemas para soluciones eficientes, en particular, donde el sistema está evolucionando o donde la dinámica cuántica de los electrones tiene un efecto significativo en los iones más pesados ​​o en todo el sistema.

"Esta nueva herramienta numérica será una gran ventaja a la hora de diseñar e interpretar experimentos en materia densa cálida. A partir de sus resultados, y especialmente cuando se combina con experimentos designados, podemos aprender mucho sobre la materia en los grandes planetas y para la investigación de la fusión láser. Sin embargo, Creo que su verdadera fuerza radica en su universalidad y posibles aplicaciones en química cuántica o sólidos fuertemente impulsados ​​".