De wetenschap staat op het punt een "kwantumsprong" te maken naarmate meer mysteries over hoe atomen zich gedragen en met elkaar omgaan, worden ontgrendeld.

Het gebied van de kwantumfysica, met zijn complexe wiskundige vergelijkingen voor het voorspellen van de interacties en energieniveaus van atomen en elektronen, heeft al veel technologieën mogelijk gemaakt waar we elke dag op vertrouwen - van computers en smartphones, tot lasers en magnetische resonantie beeldvorming. En experts zeggen dat revolutionaire ontwikkelingen voorbestemd zijn om te komen.

Maar om een ​​grote sprong te maken, je moet fysiek fit zijn, en onderzoekers van de Universiteit van Delaware hebben een gebied van kwantumfysica gevonden dat wat meer gymnastiek zou kunnen gebruiken, je zou kunnen zeggen. Het onderzoek, uitgevoerd door promovendus Muhammed Shahbaz met zijn adviseur, Prof. Krzysztof Szalewicz in de UD-afdeling Natuur- en Sterrenkunde, werd onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het tijdschrift van de American Physical Society.

Net als mensen, atomen kunnen tot elkaar worden aangetrokken, of, goed, worden afgewezen. Neem argon, het op twee na meest voorkomende gas in de atmosfeer van de aarde. Dit niet-reactieve gas heeft een verscheidenheid aan toepassingen, van het beschermen van historische documenten tot het voorkomen dat de wolfraamgloeidraad corrodeert in fluorescentielampen. Als twee argonatomen ver van elkaar verwijderd zijn, ze zullen tot elkaar worden aangetrokken totdat ze tot ongeveer 3,5 angstrom zijn gedaald en dan zullen ze elkaar afstoten. Het is alsof ze elkaar eens goed hebben bekeken, ze zijn klaar om verder te gaan.

Maar dat is niet wat natuurkundigen ongeveer twee decennia geleden ontdekten toen ze de dichtheidsfunctionele theorie (DFT) testten, die nu veel wordt gebruikt om de elektronische structuur van atomen te modelleren en te voorspellen. De meeste versies van DFT voorspelden ofwel geen aantrekkingskracht of slechts een zeer zwakke. Waar lag de mislukking? De aantrekkingskracht tussen argonatomen komt voort uit "dispersie-interacties" tussen elektronen, zoals de bewegingen van de elektronen van een atoom de bewegingen van de elektronen van zijn partner beïnvloeden. DFT kan deze gecorreleerde bewegingen op lange afstand niet nauwkeurig verklaren.

En dat is een probleem, vooral op een gebied als materiaalkunde, waar natuurkundigen de eigenschappen van een nieuw materiaal kunnen ontwerpen en voorspellen - van zijn kracht tot zijn magnetisme tot zijn vermogen om warmte te geleiden - zonder ooit naar een laboratorium te gaan om een ​​experiment uit te voeren.

Dus begonnen natuurkundigen in het begin van de jaren 2000 "fudge-factoren" te ontwikkelen om deze dispersie-energie te verklaren. Sommige van deze methoden bleken redelijk goede resultaten te geven en werden een extreem populair hulpmiddel in de computationele fysica, scheikunde en materiaalkunde. De wetenschappelijke artikelen die dergelijke methoden voorstellen, zijn tienduizenden keren geciteerd.

Wat Shahbaz en Szalewicz hebben laten zien, na meer dan een jaar van intensieve analyses, is dat al deze geknoeide methoden eigenlijk gebaseerd zijn op een foutieve veronderstelling. DFT kan beschrijven hoe de beweging van één elektron beide beïnvloedt, en wordt beïnvloed door, de beweging van een ander elektron wanneer de afstand tussen hen in de orde van één angström is. Bij scheidingen boven één angstrom tot ongeveer zeven angstrom, de correctiemethoden gaan ervan uit dat DFT een fractie van deze effecten herstelt. Shahbaz en Szalewicz hebben ontdekt dat deze hoeveelheid niet de karakteristieke eigenschappen van dispersie-energie heeft en eigenlijk voortkomt uit fouten in de theorie die geen verband houden met dispersie. Dus, zeggen de onderzoekers, de correctiemethoden kunnen goede resultaten opleveren, maar om de verkeerde redenen.

"We vertellen de natuurkundegemeenschap dat je verder moet gaan, naar een universele voorspellingsmethode die om de juiste redenen werkt, " zegt Shahbaz. "We zijn hier niet om te bekritiseren, maar om te helpen verbeteren, ’ voegt hij er bescheiden aan toe.

Momenteel, Szalewicz en Shahbaz maken deel uit van een team van theoretici en experimentatoren van universiteiten in de Verenigde Staten die kwantumfysica gebruiken om de structuren en energieën van kristallen te voorspellen, het spul waarvan sneeuwvlokken, ijs, de meeste gesteenten en mineralen, sommige kunststoffen, geneesmiddelen, energetisch materiaal en andere producten worden gemaakt. Hun complexe berekeningen voorspellen, bijvoorbeeld, hoeveel energie kan worden verpakt in een bepaald volume raketbrandstof.

Shahbaz, wie is de eerste auteur van het tijdschriftartikel, zegt dat hij als kind in zijn kleine dorpje in Pakistan nooit had kunnen vermoeden dat hij ooit een natuurkundeprofessor zou worden. Hij groeide op met het helpen van zijn vader, wie is een boer, riet laten groeien, rijst, chili, tomaten, aubergines, radijs en okra. Nu is hij de eerste in zijn familie die een universiteitsdiploma heeft gekregen - om nog maar te zwijgen van de hoogste graad van de academische wereld, die nu in het zicht is.

Toen hij zich aanmeldde voor de graduate school, hij kreeg aanbiedingen van universiteiten in de VS en Canada, maar zegt dat hij uiteindelijk voor UD koos vanwege de reputatie van de universiteit en de flexibiliteit om eerst aan een master te werken. Hij zegt dat dat hem hielp beslissen waar hij zijn onderzoek echt op wilde richten.

Als hij de komende maanden promoveert, hij heeft al een baan, als assistent-professor natuurkunde aan de University of the Punjab in Lahore, waar hij voorbestemd is om studenten te boeien over hoe licht en zwaartekracht werken, net zoals hij als jongeling geboeid was.

Dus waarom houdt hij zo van natuurkunde? "De natuurkunde vertelt je over de natuurwetten, "zegt Shahbaz. "Het vereist ook redenering. Je hoeft niets te onthouden - neem gewoon het leven in je op."