Sedan han var doktorand, Washington University i St. Louis systemingenjör Jr-Shin Li har tillhandahållit specifik matematisk information till experimentalister och kliniker som behöver den för att utföra högupplösta magnetresonansapplikationer, såsom kropps-MR för medicinsk diagnos eller spektroskopi för att avslöja proteinstrukturer. Nu, efter mer än ett decenniums arbete, han har utvecklat en formel som forskare kan använda för att generera den informationen själva.

Li, Das Family Career Development Distinguished Associate Professor vid School of Engineering &Applied Science, och hans medarbetare har tagit fram en matematisk formel för att designa bredbandspulssekvenser för att excitera en population av kärnkraftssnurr över ett brett band av frekvenser. En sådan bredbandsexcitation leder till förbättrad signal eller känslighet i olika kvantexperiment över fält från proteinspektroskopi till kvantoptik.

Forskningen, den första som upptäckte att design av pulsen kan göras analytiskt, publicerades i Naturkommunikation 5 sept.

"Detta designproblem görs traditionellt genom rent numerisk optimering, ", sa Li. "Eftersom man måste designa en gemensam ingång - ett magnetfält för att excitera många, många partiklar – problemet är utmanande. I många fall i numerisk optimering, Algoritmerna misslyckas med att konvergera eller tar enorma mängder tid att få en genomförbar lösning."

I mer än ett decennium, Li har sökt ett bättre sätt för pulsdesign genom att använda likheten mellan spinn och fjädrar genom att tillämpa numeriska experiment. Spinn är en form av rörelsemängd som bärs av elementarpartiklar. Spinnsystem är olinjära och svåra att arbeta med, Li sa, medan fjädersystem, eller harmoniska oscillatorer, är linjära och lättare att arbeta med. När han var doktorand vid Harvard University, Li hittade en lösning genom att projicera det olinjära spinnsystemet på det linjära fjädersystemet, men kunde inte bevisa det matematiskt förrän nyligen.

"Vi har mycket rigorösa bevis för att en sådan projektion från olinjär till linjär är giltig, och vi har också gjort många numeriska simuleringar för att demonstrera upptäckten, " sa Li. "Min samarbetspartner, Steffan Glaser (vid Technische Universität München), har varit inom detta område av NMR-spektroskopi i mer än 20 år, och han är övertygad om att om kvantpulserna fungerar bra i datorsimuleringar, de kan utföra samma sak i experimentella system."

Teamet planerar att genomföra olika experiment i magnetisk resonans för att verifiera den analytiska uppfinningen.

Det teoretiska arbetet öppnar nya vägar för pulssekvensdesign inom kvantkontroll. Li planerar att skapa en webbplats där medarbetare kan ange sina parametervärden för att generera pulsformeln de behöver i sina kvantexperiment.