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Equipe de pesquisa internacional resolve um problema difícil de física

Diferentes formas – dos núcleos na grade.

Sistemas fortemente interagentes desempenham um papel importante na física quântica e na química quântica. Métodos estocásticos, como simulações de Monte Carlo, são métodos comprovados para investigar tais sistemas. No entanto, estes métodos atingem os seus limites quando ocorrem as chamadas oscilações de sinal. Este problema foi agora resolvido por uma equipa internacional de investigadores da Alemanha, Turquia, EUA, China, Coreia do Sul e França, utilizando o novo método de correspondência de funções de onda. Como exemplo, as massas e raios de todos os núcleos até o número de massa 50 foram calculados usando este método. Os resultados estão de acordo com as medições, relatam agora os pesquisadores na revista “Nature”.

Toda a matéria na Terra consiste em pequenas partículas conhecidas como átomos. Cada átomo contém partículas ainda menores: prótons, nêutrons e elétrons. Cada uma dessas partículas segue as regras da mecânica quântica. A mecânica quântica constitui a base da teoria quântica de muitos corpos, que descreve sistemas com muitas partículas, como núcleos atômicos.

Uma classe de métodos usados ​​pelos físicos nucleares para estudar núcleos atômicos é a abordagem ab initio. Descreve sistemas complexos partindo de uma descrição de seus componentes elementares e suas interações. No caso da física nuclear, os componentes elementares são prótons e nêutrons. Algumas questões-chave que os cálculos ab initio podem ajudar a responder são as energias e propriedades de ligação dos núcleos atômicos e a ligação entre a estrutura nuclear e as interações subjacentes entre prótons e nêutrons.

No entanto, estes métodos ab initio apresentam dificuldades em realizar cálculos confiáveis ​​para sistemas com interações complexas. Um desses métodos são as simulações quânticas de Monte Carlo. Aqui, as quantidades são calculadas usando processos aleatórios ou estocásticos. Embora as simulações quânticas de Monte Carlo possam ser eficientes e poderosas, elas têm uma fraqueza significativa: o problema do sinal. Surge em processos com pesos positivos e negativos, que se anulam. Este cancelamento leva a previsões finais imprecisas.

Uma nova abordagem, conhecida como correspondência de função de onda, pretende ajudar a resolver tais problemas de cálculo para métodos ab initio. “Este problema é resolvido pelo novo método de correspondência de funções de onda, mapeando o problema complicado em uma primeira aproximação a um sistema modelo simples que não possui tais oscilações de sinal e depois tratando as diferenças na teoria das perturbações”, diz o Prof. Meißner do Instituto Helmholtz de Radiação e Física Nuclear da Universidade de Bonn e do Instituto de Física Nuclear e do Centro de Simulação e Análise Avançada do Forschungszentrum Jülich. “Por exemplo, foram calculadas as massas e raios de todos os núcleos até o número de massa 50 – e os resultados concordam com as medições”, relata Meißner, que também é membro das Áreas de Pesquisa Transdisciplinar “Modelagem” e “Matéria” da a Universidade de Bonn.

“Na teoria quântica de muitos corpos, muitas vezes nos deparamos com a situação em que podemos realizar cálculos usando uma interação aproximada simples, mas interações realistas de alta fidelidade causam graves problemas computacionais”, diz Dean Lee, professor de Física da Facility for Rare Istop Beams e Departamento de Física e Astronomia (FRIB) da Michigan State University e chefe do Departamento de Ciências Nucleares Teóricas.

A correspondência de função de onda resolve esse problema removendo a parte de curta distância da interação de alta fidelidade e substituindo-a pela parte de curta distância de uma interação facilmente calculável. Esta transformação é feita de forma a preservar todas as propriedades importantes da interação realista original. Como as novas funções de onda são semelhantes às da interação facilmente computável, os pesquisadores podem agora realizar cálculos com a interação facilmente computável e aplicar um procedimento padrão para lidar com pequenas correções – chamado teoria de perturbação.

A equipe de pesquisa aplicou este novo método para simulações quânticas de Monte Carlo em rede para núcleos leves, núcleos de massa média, matéria de nêutrons e matéria nuclear. Usando cálculos ab initio precisos, os resultados corresponderam de perto aos dados do mundo real sobre propriedades nucleares, como tamanho, estrutura e energia de ligação. Cálculos que antes eram impossíveis devido ao problema do sinal agora podem ser realizados com correspondência de função de onda.

Embora a equipe de pesquisa tenha se concentrado exclusivamente em simulações quânticas de Monte Carlo, a correspondência de funções de onda deve ser útil para muitas abordagens ab initio diferentes. “Este método pode ser usado tanto na computação clássica quanto na computação quântica, por exemplo, para prever melhor as propriedades dos chamados materiais topológicos, que são importantes para a computação quântica”, diz Meißner.

O primeiro autor é Serdar Elhatisari, que trabalhou durante dois anos como Fellow no ERC Advanced Grant EXOTIC do Prof. Meißner. Segundo Meißner, grande parte do trabalho foi realizada nesse período. Parte do tempo de computação em supercomputadores no Forschungszentrum Jülich foi fornecido pelo instituto IAS-4, dirigido por Meißner.

O primeiro autor, Serdar Elhatisari, vem da Universidade de Bonn e da Universidade de Ciência e Tecnologia Gaziantep Islam (Turquia). Contribuições significativas também foram feitas na Michigan State University. Outros participantes incluem a Ruhr University Bochum, a South China Normal University (China), o Institute for Basic Science em Daejeon (Coreia do Sul), a Sun Yat-Sen University em Guangzhou (China), a Graduate School of China Academy of Engineering Physics em Pequim ( China), Mississippi State University (EUA) e Université Paris-Saclay (França).

Serdar Elhatisari, Lukas Bovermann, Yuan-Zhuo Ma, Evgeny Epelbaum, Dillon Frame, Fabian Hildenbrand, Myungkuk Kim, Youngman Kim, Hermann Krebs, Timo A. Lahde, Dean Lee, Ning Li, Bing-Nan Lu, Ulf-G. Meißner, Gautam Rupak, Shihang Shen, Young-Ho Song e Gianluca Stellin: Transformação de correspondência de funções de onda para resolver o problema quântico de muitos corpos, Natureza z.

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