La scienza è pronta a fare un "salto quantico" man mano che vengono svelati altri misteri su come gli atomi si comportano e interagiscono tra loro.

Il campo della fisica quantistica, con le sue complesse equazioni matematiche per prevedere le interazioni e i livelli energetici di atomi ed elettroni, ha già reso possibili molte tecnologie su cui ci affidiamo ogni giorno:da computer e smartphone, al laser e alla risonanza magnetica. E gli esperti dicono che i progressi rivoluzionari sono destinati a venire.

Ma per fare un salto da gigante, devi essere fisicamente in forma, e i ricercatori dell'Università del Delaware hanno scoperto un'area della fisica quantistica che potrebbe utilizzare un po' più di ginnastica ritmica, potresti dire. La ricerca, eseguita dal dottorando Muhammed Shahbaz con il suo consigliere, Prof. Krzysztof Szalewicz nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UD, è stato pubblicato di recente su Lettere di revisione fisica , il giornale dell'American Physical Society.

Proprio come le persone, gli atomi possono essere attratti l'uno dall'altro, o, bene, essere respinto. Prendi l'argon, il terzo gas più abbondante nell'atmosfera terrestre. Questo gas non reattivo ha una varietà di usi, dalla protezione dei documenti storici alla prevenzione della corrosione del filamento di tungsteno nelle luci fluorescenti. Quando due atomi di argon sono lontani l'uno dall'altro, saranno attratti l'uno dall'altro fino a quando non scendono a circa 3,5 angstrom e poi si respingono. È come se una volta che si fossero visti davvero bene, sono pronti per andare avanti.

Ma non è quello che i fisici hanno scoperto circa due decenni fa quando hanno testato la teoria del funzionale della densità (DFT), che è ora ampiamente utilizzato per modellare e prevedere la struttura elettronica degli atomi. La maggior parte delle versioni di DFT non prevedeva alcuna attrazione o solo una molto debole. Dove stava il fallimento? L'attrazione tra gli atomi di argon ha origine dalle "interazioni di dispersione" tra gli elettroni, poiché i moti degli elettroni di un atomo influenzano i moti degli elettroni del suo partner. La DFT non può spiegare accuratamente questi movimenti correlati a lungo raggio.

E questo è un problema, soprattutto in un campo come la scienza dei materiali, dove i fisici possono progettare e prevedere le proprietà di un nuovo materiale, dalla sua forza al suo magnetismo alla sua capacità di condurre il calore, senza mai entrare in un laboratorio per fare un esperimento.

Così i fisici hanno iniziato a sviluppare "fattori fudge" nei primi anni 2000 per spiegare questa energia di dispersione. Alcuni di questi metodi si sono rivelati dare risultati ragionevolmente buoni e sono diventati uno strumento estremamente popolare nella fisica computazionale, chimica e scienza dei materiali. Gli articoli scientifici che propongono tali metodi sono stati citati decine di migliaia di volte.

Ciò che Shahbaz e Szalewicz hanno mostrato, dopo più di un anno di intense analisi, è che tutti questi metodi falsi sono in realtà basati su un presupposto errato. DFT può descrivere come il movimento di un elettrone influenzi entrambi, e viene colpito da, il moto di un altro elettrone quando la distanza tra loro è dell'ordine di un angstrom. A separazioni da un angstrom a circa sette angstrom, i metodi di correzione presuppongono che DFT recuperi una frazione di questi effetti. Shahbaz e Szalewicz hanno scoperto che questa quantità non ha le proprietà caratteristiche dell'energia di dispersione e in realtà ha origine da errori nella teoria che non sono correlati alla dispersione. Così, dicono i ricercatori, i metodi di correzione possono ottenere buoni risultati, ma per i motivi sbagliati.

"Stiamo dicendo alla comunità dei fisici che devi andare oltre, verso un metodo universale di previsione che funzioni per le giuste ragioni, " Shahbaz dice. "Non siamo qui per criticare, ma per aiutare a migliorare, "aggiunge umilmente.

Attualmente, Szalewicz e Shahbaz fanno parte di un team di teorici e sperimentalisti delle università degli Stati Uniti che utilizzano la fisica quantistica per prevedere le strutture e le energie dei cristalli, la cui materia fa i fiocchi di neve, Ghiaccio, la maggior parte delle rocce e dei minerali, alcune plastiche, prodotti farmaceutici, materiale energetico e altri prodotti sono realizzati. I loro calcoli complessi prevedono, Per esempio, quanta energia può essere racchiusa in un dato volume di carburante per missili.

Shahbaz, chi è il primo autore dell'articolo di giornale, dice che non avrebbe mai immaginato da bambino nel suo piccolo villaggio in Pakistan che un giorno sarebbe diventato un professore di fisica. È cresciuto aiutando suo padre, chi è un contadino, crescere canna, Riso, peperoncini, pomodori, melanzane, ravanelli e gombo. Ora è il primo della sua famiglia a ricevere un diploma universitario, per non parlare del più alto grado accademico, che ora è in bella vista.

Quando si stava iscrivendo alla scuola di specializzazione, ha ricevuto offerte da università negli Stati Uniti e in Canada, ma dice che alla fine ha deciso per UD a causa della reputazione dell'università e della flessibilità di lavorare prima su un master. Dice che questo lo ha aiutato a decidere su cosa voleva veramente concentrare la sua ricerca.

Quando completerà il suo dottorato nei prossimi mesi, ha già un lavoro in programma, come assistente professore di fisica presso l'Università del Punjab a Lahore, dove è destinato ad agganciare gli studenti su come funzionano la luce e la gravità, così come era affascinato da giovane.

Allora perché gli piace così tanto la fisica? "La fisica ti parla delle leggi della natura, " Shahbaz dice. "Si richiede anche un ragionamento. Non devi memorizzare nulla, assorbi solo la vita."