Miljarder små interaktioner förekommer mellan tusentals partiklar i varje materia på ett ögonblick. Att simulera dessa interaktioner i sin fulla dynamik sades vara svårfångat men har nu möjliggjorts av nytt arbete av forskare från Oxford och Warwick.

Genom att göra så, de har banat väg för nya insikter om de komplexa ömsesidiga interaktionerna mellan partiklarna i extrema miljöer, till exempel i hjärtat av stora planeter eller laser -kärnfusion.

Forskare vid University of Warwick och University of Oxford har utvecklat ett nytt sätt att simulera kvantsystem av många partiklar som möjliggör undersökning av de dynamiska egenskaperna hos kvantsystem helt kopplade till långsamt rörliga joner.

Effektivt, de har gjort simuleringen av kvanteelektronerna så snabb att den skulle kunna gå extremt länge utan begränsningar och effekten av deras rörelse på de långsamma jonernas rörelse skulle vara synlig.

Rapporteras i tidningen Vetenskapliga framsteg , den är baserad på en sedan länge känd alternativ formulering av kvantmekanik (Bohm-dynamik), som forskarna nu har gett möjlighet att studera dynamiken i stora kvantsystem.

Många kvantfenomen har studerats för enstaka eller bara några interagerande partiklar eftersom stora komplexa kvantsystem överväger forskares teoretiska och beräkningsförmåga att göra förutsägelser. Detta kompliceras av den stora skillnaden i tidsskala som de olika partikelarterna verkar på:joner utvecklas tusentals gånger långsammare än elektroner på grund av deras större massa. För att övervinna detta problem, de flesta metoder innebär att koppla bort elektroner och joner och ignorera dynamiken i deras interaktioner - men detta begränsar vår kunskap om kvantdynamik kraftigt.

För att utveckla en metod som gör det möjligt för forskare att redogöra för de fullständiga elektronjoninteraktionerna, forskarna återupplivade en gammal alternativ formulering av kvantmekanik som utvecklats av David Bohm. Inom kvantmekanik, man behöver känna till en partikels vågfunktion. Det visar sig att beskriva det med medelbanan och en fas, som gjort av Bohm, är mycket fördelaktigt. Dock, det krävdes ytterligare en uppsättning approximationer och många tester för att påskynda beräkningarna så dramatiskt som krävs. Verkligen, de nya metoderna visade en ökning av hastigheten med mer än en faktor 10, 000 (fyra storleksordningar), men är fortfarande i överensstämmelse med tidigare beräkningar för statiska egenskaper hos kvantsystem.

Den nya metoden tillämpades sedan på en simulering av varm tät materia, ett tillstånd mellan fasta ämnen och heta plasma, som är känd för sin inneboende koppling av alla partikeltyper och behovet av en kvantbeskrivning. I sådana system, både elektronerna och jonerna kan ha excitationer i form av vågor och båda vågorna kommer att påverka varandra. Här, det nya tillvägagångssättet kan visa sin styrka och bestämma kvantelektronernas påverkan på de klassiska jonernas vågor medan de statiska egenskaperna visade sig stämma överens med tidigare data.

Kvantsystem i många kroppar är kärnan i många vetenskapliga problem, allt från den komplexa biokemin i våra kroppar till materiens beteende inuti stora planeter eller till och med tekniska utmaningar som högtemperatur supraledningsförmåga eller fusionsenergi som demonstrerar möjliga användningsområden för nytt tillvägagångssätt.

Prof Gianluca Gregori (Oxford), som ledde utredningen, sade:"Bohm kvantmekanik har ofta behandlats med skepsis och kontrovers. I sin ursprungliga formulering, dock, detta är bara en annan omformulering av kvantmekaniken. Fördelen med att använda denna formalism är att olika approximationer blir enklare att implementera och detta kan öka hastigheten och noggrannheten i simuleringar som involverar system med många kroppar. "

Dr Dirk Gericke från University of Warwick, som hjälpte till med utformningen av den nya datorkoden, sade:"Med denna enorma ökning av numerisk effektivitet, det är nu möjligt att följa hela dynamiken i fullt interagerande elektronjonsystem. Detta nya tillvägagångssätt öppnar alltså nya klasser av problem för effektiva lösningar, särskilt, där antingen systemet utvecklas eller där elektronernas kvantdynamik har en betydande effekt på de tyngre jonerna eller hela systemet.

"Det här nya numeriska verktyget kommer att vara en stor tillgång när man utformar och tolkar experiment med varma täta ämnen. Från resultaten, och särskilt i kombination med utvalda experiment, vi kan lära oss mycket om materia på stora planeter och för laserfusionsforskning. Dock, Jag tror att dess sanna styrka ligger i dess universalitet och möjliga tillämpningar inom kvantkemi eller starkt drivna fasta ämnen. "