Como um elétron se comporta em um átomo, ou como ele se move em um sólido, pode ser previsto precisamente com as equações da mecânica quântica. Esses cálculos teóricos concordam totalmente com os resultados obtidos nos experimentos. Mas sistemas quânticos complexos, que contêm muitos elétrons ou partículas elementares, como moléculas, sólidos ou núcleos atômicos - atualmente não podem ser descritos exatamente, mesmo com os computadores mais poderosos disponíveis hoje. As equações matemáticas subjacentes são muito complexas, e os requisitos computacionais são muito grandes. Uma equipe liderada pelo professor Michael Bonitz do Instituto de Física Teórica e Astrofísica da Universidade de Kiel (CAU) conseguiu agora desenvolver um método de simulação, que permite cálculos de mecânica quântica até cerca de 10, 000 vezes mais rápido do que anteriormente possível. Eles publicaram suas descobertas na edição atual da renomada revista científica Cartas de revisão física .

Mesmo com computadores extremamente poderosos, simulações quânticas demoram muito

O novo procedimento dos pesquisadores de Kiel é baseado em uma das técnicas de simulação mais poderosas e versáteis atualmente para sistemas de muitos corpos da mecânica quântica. Ele usa o método das chamadas funções de Green de não-equilíbrio:isso permite que movimentos e interações complexas de elétrons sejam descritos com uma precisão muito alta, mesmo por um período prolongado. Contudo, até o momento, este método é muito intensivo em computador:a fim de prever o desenvolvimento do sistema quântico em um período dez vezes mais longo, um computador requer mil vezes mais tempo de processamento.

Com o truque matemático de introduzir uma variável auxiliar adicional, os físicos do CAU agora conseguiram reformular as equações primárias das funções de Green de não-equilíbrio, de modo que o tempo de cálculo só aumenta linearmente com a duração do processo. Assim, um período de predição dez vezes maior requer apenas dez vezes mais tempo de computação. Em comparação com os métodos usados ​​anteriormente, os físicos alcançaram um fator de aceleração de aproximadamente 10, 000. Este fator aumenta ainda mais para processos mais longos. Uma vez que a nova abordagem combina duas funções verdes pela primeira vez, é denominado "método G1-G2".

Desenvolvimento temporal das propriedades do material previsíveis pela primeira vez

O novo modelo de cálculo da equipe de pesquisa de Kiel não só economiza tempo de computação caro, mas também permite simulações, que anteriormente eram completamente impossíveis. "Ficamos surpresos com o fato de que essa aceleração dramática também pode ser demonstrada em aplicações práticas, "explicou Bonitz. Por exemplo, agora é possível prever como certas propriedades e efeitos em materiais como semicondutores se desenvolvem durante um longo período de tempo. Bonitz está convencido:"O novo método de simulação é aplicável em várias áreas da teoria quântica de muitos corpos, e permitirá novas previsões qualitativas, como sobre o comportamento dos átomos, moléculas, plasmas densos e sólidos após excitação por radiação laser intensa. "