Bilhões de minúsculas interações ocorrem entre milhares de partículas em cada pedaço de matéria em um piscar de olhos. Simular essas interações em sua dinâmica total era considerado ilusório, mas agora foi possível devido a novos trabalhos de pesquisadores de Oxford e Warwick.

Ao fazer isso, eles abriram caminho para novos insights sobre as complexas interações mútuas entre as partículas em ambientes extremos, como no coração de grandes planetas ou fusão nuclear a laser.

Pesquisadores da University of Warwick e University of Oxford desenvolveram uma nova maneira de simular sistemas quânticos de muitas partículas que permite a investigação das propriedades dinâmicas de sistemas quânticos totalmente acoplados a íons que se movem lentamente.

Efetivamente, eles fizeram a simulação dos elétrons quânticos tão rápida que ela poderia durar extremamente sem restrições e o efeito de seu movimento no movimento dos íons lentos seria visível.

Reportado no jornal Avanços da Ciência , é baseado em uma formulação alternativa conhecida de mecânica quântica (dinâmica de Bohm), que os cientistas agora têm poderes para permitir o estudo da dinâmica de grandes sistemas quânticos.

Muitos fenômenos quânticos foram estudados para uma ou apenas algumas partículas em interação, pois grandes sistemas quânticos complexos superam as capacidades teóricas e computacionais dos cientistas para fazer previsões. Isso é complicado pela vasta diferença na escala de tempo em que as diferentes espécies de partículas agem:os íons evoluem milhares de vezes mais lentamente do que os elétrons devido à sua massa maior. Para superar esse problema, a maioria dos métodos envolve desacoplar elétrons e íons e ignorar a dinâmica de suas interações - mas isso limita severamente nosso conhecimento da dinâmica quântica.

Para desenvolver um método que permite aos cientistas contabilizar todas as interações elétron-íon, os pesquisadores reviveram uma velha formulação alternativa da mecânica quântica desenvolvida por David Bohm. Na mecânica quântica, é preciso saber a função de onda de uma partícula. Acontece que descrevê-lo pela trajetória média e uma fase, como feito por Bohm, é muito vantajoso. Contudo, foi necessário um conjunto adicional de aproximações e muitos testes para acelerar os cálculos tão drásticos quanto necessário. De fato, os novos métodos demonstraram um aumento de velocidade em mais de um fator de 10, 000 (quatro ordens de magnitude), ainda é consistente com cálculos anteriores para propriedades estáticas de sistemas quânticos.

A nova abordagem foi então aplicada a uma simulação de matéria densa quente, um estado entre sólidos e plasmas quentes, que é conhecido por seu acoplamento inerente de todos os tipos de partículas e a necessidade de uma descrição quântica. Em tais sistemas, tanto os elétrons quanto os íons podem ter excitações na forma de ondas e ambas as ondas se influenciam mutuamente. Aqui, a nova abordagem pode mostrar sua força e determinar a influência dos elétrons quânticos nas ondas dos íons clássicos, enquanto as propriedades estáticas foram comprovadas para concordar com os dados anteriores.

Os sistemas quânticos de muitos corpos são o núcleo de muitos problemas científicos que vão desde a complexa bioquímica em nossos corpos até o comportamento da matéria dentro de grandes planetas ou mesmo desafios tecnológicos como supercondutividade de alta temperatura ou energia de fusão que demonstra a possível gama de aplicações do nova abordagem.

Prof Gianluca Gregori (Oxford), quem liderou a investigação, disse:"A mecânica quântica de Bohm sempre foi tratada com ceticismo e controvérsia. Em sua formulação original, Contudo, esta é apenas uma reformulação diferente da mecânica quântica. A vantagem de empregar esse formalismo é que diferentes aproximações tornam-se mais simples de implementar e isso pode aumentar a velocidade e a precisão das simulações envolvendo sistemas de muitos corpos. "

Dr. Dirk Gericke da University of Warwick, que ajudou no design do novo código de computador, disse:"Com este grande aumento de eficiência numérica, agora é possível seguir a dinâmica completa dos sistemas de íon-elétrons em plena interação. Esta nova abordagem, portanto, abre novas classes de problemas para soluções eficientes, em particular, onde o sistema está evoluindo ou onde a dinâmica quântica dos elétrons tem um efeito significativo nos íons mais pesados ​​ou em todo o sistema.

"Esta nova ferramenta numérica será um grande trunfo ao projetar e interpretar experimentos em matéria densa quente. A partir de seus resultados, e especialmente quando combinado com experimentos designados, podemos aprender muito sobre a matéria em grandes planetas e para a pesquisa de fusão a laser. Contudo, Acredito que sua verdadeira força reside em sua universalidade e possíveis aplicações em química quântica ou sólidos fortemente impulsionados. "