Desde que ele era um estudante de graduação, O engenheiro de sistemas Jr-Shin Li da Washington University em St. Louis forneceu informações matemáticas específicas para experimentalistas e médicos que precisam delas para realizar aplicações de ressonância magnética de alta resolução, como ressonâncias magnéticas corporais para diagnóstico médico ou espectroscopia para descobrir estruturas de proteínas. Agora, depois de mais de uma década de trabalho, ele desenvolveu uma fórmula que os pesquisadores podem usar para gerar essas informações por conta própria.

Li, o Distinto Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira da Família na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, e seus colaboradores derivaram uma fórmula matemática para projetar sequências de pulso de banda larga para excitar uma população de spins nucleares em uma ampla banda de frequências. Essa excitação de banda larga leva a um sinal ou sensibilidade aprimorada em diversos experimentos quânticos em campos de espectroscopia de proteínas a óptica quântica.

A pesquisa, o primeiro a descobrir que projetar o pulso pode ser feito analiticamente, foi publicado em Nature Communications 5 de setembro.

"Este problema de design é tradicionalmente feito por otimização puramente numérica, "Li disse." Porque é preciso projetar uma entrada comum - um campo magnético para excitar muitos, muitas partículas - o problema é desafiador. Em muitos casos, na otimização numérica, os algoritmos falham em convergir ou levam muito tempo para obter uma solução viável. "

Por mais de uma década, Li procurou uma maneira melhor de projetar pulsos usando a similaridade entre spins e springs aplicando experimentos numéricos. O spin é uma forma de momento angular transportado por partículas elementares. Os sistemas de spin são não lineares e difíceis de trabalhar, Li disse, enquanto sistemas de molas, ou osciladores harmônicos, são lineares e mais fáceis de trabalhar. Enquanto estudante de doutorado na Universidade de Harvard, Li encontrou uma solução projetando o sistema de rotação não linear no sistema de mola linear, mas não foi capaz de prová-lo matematicamente até recentemente.

"Temos provas muito rigorosas de que essa projeção de não linear para linear é válida, e também fizemos muitas simulações numéricas para demonstrar a descoberta, "Disse Li." Meu colaborador, Steffan Glaser (da Technische Universität Munich), está neste campo da espectroscopia de NMR há mais de 20 anos, e ele está confiante de que se os pulsos quânticos funcionam bem em simulações de computador, eles podem realizar o mesmo em sistemas experimentais. "

A equipe planeja realizar vários experimentos em ressonância magnética para verificar a invenção analítica.

O trabalho teórico abre novos caminhos para o projeto de sequência de pulso no controle quântico. Li planeja criar um site onde os colaboradores podem inserir seus valores de parâmetros para gerar a fórmula de pulso que precisarão em seus experimentos quânticos.