Miles de millones de pequeñas interacciones ocurren entre miles de partículas en cada pieza de materia en un abrir y cerrar de ojos. Se decía que simular estas interacciones en su dinámica completa era esquivo, pero ahora ha sido posible gracias al nuevo trabajo de investigadores de Oxford y Warwick.
Al hacerlo, han allanado el camino para nuevas ideas sobre las complejas interacciones mutuas entre las partículas en entornos extremos, como en el corazón de grandes planetas o fusión nuclear con láser.
Los 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 la investigación de las propiedades dinámicas de los sistemas cuánticos totalmente acoplados a iones que se mueven lentamente.
Efectivamente, han hecho que la simulación de los electrones cuánticos sea tan rápida que podría durar mucho tiempo sin restricciones y el efecto de su movimiento sobre el movimiento de los iones lentos sería visible.
Reportado en el diario Avances científicos se basa en una formulación alternativa conocida de mecánica cuántica dinámica de Bohm que los científicos ahora han facultado para permitir estudiar la dinámica de los sistemas cuánticos grandes.
Se han estudiado muchos fenómenos cuánticos para partículas individuales o solo unas pocas 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 en la que actúan las diferentes especies de partículas: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 sobre la dinámica cuántica.
Para desarrollar un método que permita a los científicos dar cuenta de las interacciones completas de iones de electrones, los investigadores revivieron una antigua formulación alternativa de mecánica cuántica desarrollada por David Bohm. En mecánica cuántica, uno necesita conocer la función de onda de una partícula.Resulta que describirlo por la trayectoria media y una fase, como lo hizo Bohm, es muy ventajoso. Sin embargo, tomó un juego adicional de aproximaciones y muchas pruebas para acelerar los cálculos tan dramáticos como se requirió. De hecho, los nuevos métodos demostraronun aumento de la velocidad en más de un factor de 10,000 cuatro órdenes de magnitud aún es consistente con cálculos previos para propiedades estáticas de sistemas cuánticos.
El nuevo enfoque se aplicó luego a una simulación de materia cálida y densa, 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, ambos electronesy los iones pueden tener excitaciones en forma de ondas y ambas ondas se influenciarán entre sí. Aquí, el nuevo enfoque puede mostrar su fuerza y determinar la influencia de los electrones cuánticos en las ondas de los iones clásicos mientras se demostró que las propiedades estáticasde acuerdo con los datos anteriores
Los sistemas cuánticos de muchos cuerpos son el núcleo de muchos problemas científicos que van desde la bioquímica compleja en nuestros cuerpos hasta el comportamiento de la materia dentro de grandes planetas o incluso desafíos tecnológicos como la superconductividad a alta temperatura o la energía de fusión que demuestra el posible rango de aplicacionesdel nuevo enfoque.
El profesor Gianluca Gregori Oxford, quien dirigió la investigación, dijo: "La mecánica cuántica de Bohm a menudo ha sido tratada con escepticismo y controversia. Sin embargo, en su formulación original, esto es solo una reformulación diferente de la mecánica cuántica. La ventaja de emplearEste formalismo es que 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 ".
El Dr. Dirk Gericke de la Universidad de Warwick, que ayudó al diseño del nuevo código de computadora, dijo: "Con este gran aumento de la eficiencia numérica, ahora es posible seguir la dinámica completa de los sistemas de iones de electrones que interactúan completamente. EstoPor lo tanto, un nuevo enfoque abre 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 de gran utilidad al diseñar e interpretar experimentos sobre materia cálida y densa. A partir de sus resultados, y especialmente cuando se combina con experimentos designados, podemos aprender mucho sobre la materia en grandes planetas y para la investigación de fusión láser. Sin embargo,, Creo que su verdadera fuerza radica en su universalidad y posibles aplicaciones en la química cuántica o sólidos fuertemente impulsados ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Warwick . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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