Los científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un algoritmo que podría proporcionar respuestas significativas a los físicos de la materia condensada en sus búsquedas de propiedades novedosas y emergentes en materiales. El algoritmo, inventado por el profesor de física Bryan Clark y su estudiante graduado EliChertkov, invierte el proceso matemático típico que los físicos de materia condensada usan para buscar física interesante. Su nuevo método comienza con la respuesta: qué tipos de propiedades físicas serían interesantes de encontrar, y retrocede a la pregunta: qué clase de materialesalojaría tales propiedades.
La resolución inversa de problemas no es una técnica nueva en física clásica, pero este algoritmo representa uno de los primeros ejemplos exitosos de un método de resolución inversa de problemas con materiales cuánticos. Y podría hacer que la búsqueda de física interesante sea un proceso más racionalizado y deliberado paramuchos científicos. Más físicos están trabajando en materia condensada que cualquier otro subcampo de la física: la rica diversidad de sistemas y fenómenos de materia condensada proporciona amplios problemas sin resolver para explorar, desde la superconductividad y superfluidez hasta el magnetismo y la topología. Los experimentadores investigan el macro y el microscopiopropiedades de los materiales para observar el comportamiento y las interacciones de las partículas en los materiales bajo un estricto conjunto de controles.Los físicos teóricos de la materia condensada, por otro lado, trabajan para desarrollar modelos matemáticos que predicen o expliquen las leyes fundamentales que rigen estos comportamientos e interacciones.
El campo de la física teórica de la materia condensada tiene la reputación bien ganada de ser esotérico y difícil de descifrar para el lego, con su enfoque en la comprensión de la mecánica cuántica de los materiales. El proceso de escribir y resolver ecuaciones de materia condensada es extremadamente complejoy meticuloso. Ese proceso generalmente comienza con un hamiltoniano, un modelo matemático que resume las energías de todas las partículas en el sistema.
Clark explica: "Para un problema típico de materia condensada, comienzas con un modelo, que sale como un Hamiltoniano, luego lo resuelves y terminas con una función de onda, y puedes ver las propiedades de esa onday ver si hay algo interesante. Este algoritmo invierte ese proceso. Ahora, si conoce el tipo deseado de física que le gustaría estudiar, puede representarlo en una función de onda, y el algoritmo generará todos los Hamiltonianos:- o los modelos específicos - para los cuales obtendríamos ese conjunto de propiedades. Para ser más exactos, el algoritmo nos da a los hamiltonianos con esa función de onda como un estado propio de energía ".
Clark dice que el algoritmo ofrece una nueva forma de estudiar fenómenos físicos como la superconductividad.
"Por lo general, adivinaría hamiltonianos que probablemente sean superconductores y luego trataría de resolverlos. Lo que este algoritmo, en teoría, nos permitirá hacer es escribir una función de onda que conocemos superconductos y luego automáticamentegenerar todos los hamiltonianos o los modelos específicos que dan esa función de onda como su solución Una vez que tenga los hamiltonianos, en cierto sentido, eso le da todas las demás propiedades del sistema: el espectro de excitación, todas las propiedades de temperatura finita.
Eso requiere algunos pasos más una vez que tenga el Hamiltoniano, por lo que no mejoramos esa parte del proceso de investigación. Pero lo que hicimos, encontramos una manera de encontrar modelos interesantes, Hamiltonianos interesantes ".
Chertkov agrega: "Hay muchas funciones de onda que la gente ha escrito para las cuales no hay Hamiltonianos conocidos, quizás valen 50 años. Ahora podemos tomar cualquiera de estas funciones de onda y preguntar si algún Hamiltoniano las da como estados propios y ustedpuede terminar con un modelo, sin modelos o con muchos. Por ejemplo, estamos interesados en las funciones de onda spin-líquido, estados cuánticos altamente entrelazados con propiedades topológicas interesantes.
Los teóricos han construido muchas funciones de onda spin-líquido, pero no saben qué Hamiltonianos les dan.
En el futuro, nuestro algoritmo debería permitirnos encontrar a estos hamiltonianos ".
Clark y Chertkov probaron el algoritmo sobre funciones de onda relacionadas con el magnetismo frustrado, un tema que presenta una física interesante con muchas preguntas abiertas. El magnetismo frustrado ocurre en una clase de materiales que es aislante, por lo que los electrones no se mueven, pero sulos giros interactúan. Clark explica una de las funciones de onda que probaron: "Los giros de electrones en un imán frustrado quieren estar alineados, como el norte y el sur en un imán, pero no pueden porque viven en triángulos. Entonces hacemos unfunción de onda de una superposición lineal de todos estos estados frustrados y giramos la manivela de este algoritmo, y preguntamos, dada esta función de onda, que es un estado cuántico interesante en un imán frustrado, ¿están ahí?
Hamiltonianos que lo darían. Y encontramos algunos "
Chertkov dice que los resultados del algoritmo podrían orientar a los experimentadores en la dirección correcta para encontrar física nueva e interesante: "Espero que sea una forma de usarla. Elija una función de onda que tenga algún tipo de física que le interese yves qué tipo de interacciones pueden darte ese tipo de física, y es de esperar que los modelos que encuentres a través de este método puedan buscarse en experimentos. Y resulta que encuentras muchos modelos con nuestro método ".
Clark resume: "Esto ha invertido la parte del proceso donde estábamos cazando en la oscuridad. Antes, se podía decir, vamos a probar muchos modelos hasta que encontremos algo interesante. Ahora puedes decir, esto es lo interesante que queremos, volteemos la manivela en este algoritmo y encontremos un modelo que lo proporcione "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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