Kvanttifysiikka ja klassinen mekaniikka näyttävät olevan kaksi yhteensopimatonta maailmaa. Toinen niistä koskee superpositioita ja epävarmuutta, toinen tarkkoja sääntöjä. Skoltechin tutkijat ovat kuitenkin löytäneet tavan yhdistää voimansa ratkaistakseen yhden vanhimmista ydinmagneettisen resonanssin (YMR) ongelmista.
Sisällysluettelo
Mikä on NMR ja mihin sitä tarvitaan?
Jokainen atomi on miniatyyrijärjestelmä, jossa on ydin ja elektronit. Monet ytimet käyttäytyvät kuin pienet magneetit. Radiofrekvenssimagneettikentän vaikutuksesta ne alkavat ”resonoida” – tätä ilmiötä kutsutaan ydinmagneettiseksi resonanssiksi.
YMR:n keksimisestä 1900-luvulla on kulunut useita vuosikymmeniä, ja tänä aikana on myönnetty viisi Nobel-palkintoa. Tunnetuin sovellus on magneettikuvaus (MRT). Menestyksestä huolimatta YMR:n teoriassa on edelleen kysymyksiä, joihin ei ole yksiselitteisiä vastauksia.
Kvanttijärjestelmien mallintamisen ongelma
Tieteellinen yhteisö on jo pitkään kohdannut ongelman: kuinka ennustaa tarkasti ydinmagneettisten momenttien reaktio kiinteissä aineissa radiofrekvenssipulssien vaikutuksesta? Tämän ongelman ratkaiseminen edellyttää monien kvanttihiukkasten dynamiikan huomioon ottamista, ja tällaiset laskelmat ovat jopa tehokkaimpien supertietokoneiden ulottumattomissa.
Hybridi-lähestymistapa
Yksi tapa yksinkertaistaa tehtävää on käyttää kvanttimallinnusta vain järjestelmän ”ytimessä” ja laskea loput klassisella menetelmällä. Mutta tässä syntyy paradoksi: kvanttihiukkanen voi olla useissa tiloissa samanaikaisesti, mutta klassinen hiukkanen vain yhdessä. Miten kvantti- ja klassiset hiukkaset vuorovaikuttavat tällöin?
Skoltechin läpimurto
Tohtorikoulutettava Grigory Starkov ja professori Boris Fain ehdottivat elegantin ratkaisun:
”Menetelmän idea”, Starkov selittää, ”on kompensoida kvanttisten superpositioiden keskimääräistävää vaikutusta klassiseen ympäristöön rikkomatta tärkeimpiä dynaamisia korrelaatioita”.
Heidän hybridimenetelmäänsä on testattu erilaisissa järjestelmissä, ja se on antanut erinomaisia tuloksia. Se ei vain vahvistanut tarkkuutta verrattuna suoriin laskelmiin, vaan myös vastasi kokeellisia tietoja.
JMR:n uudet horisontit
Kehitetty menetelmä laajentaa merkittävästi magneettisen dynamiikan mallintamisen mahdollisuuksia kiinteissä aineissa. Tämä avaa tien syvempään ymmärrykseen monimutkaisista materiaaleista ja voi olla hyödyllinen myös YMR-alan ulkopuolella.
”Olemme työskennelleet tämän parissa jo vuosia. 70 vuoden ajan monet ryhmät ovat yrittäneet ratkaista tämän ongelman. Olemme saavuttaneet edistystä”, sanoo Fain. ”Uskomme, että menetelmällämme on laaja käyttöalue.”
