Voor veel berekeningen volstaat een benadering. Maar het begint af te breken naarmate het gedrag van de elektronen meer gecorreleerd raakt, zoals gebeurt wanneer de kwantummechanica een rol gaat spelen. In de kwantummechanica kunnen deze elektronen zich tegelijkertijd op meerdere plaatsen, of orbitalen, bevinden. Dit belemmert niet alleen de menselijke hersenen, maar ook de dichtheidsfunctionaaltheorie.

"En dit is een belangrijk probleem, omdat veel van de problemen waar we in de 21e eeuw om geven – zoals nieuwe moleculen en materialen voor hernieuwbare energie en duurzaamheid – vereisen dat we de kwantumaard van materialen exploiteren", aldus Mazziotti.

Mazziotti, Gibney en derde auteur Jan-Niklas Boyn ontdekten dat ze een universele correctie konden toevoegen aan de dichtheidsfunctionaaltheorie, waardoor de elektronen verstrikt kunnen raken tussen meerdere orbitalen tegelijk.

"Hierdoor kunnen de orbitalen in de berekening niet alleen volledig gevuld of volledig leeg zijn, maar ook ergens daartussenin", aldus Mazziotti. "We komen tot een beeld van één elektron dat nog steeds in staat is het gedrag vast te leggen dat voortkomt uit gecorreleerde elektroneneffecten van meerdere lichamen."

Een 'universele' aanpassing

Als bonus kunnen de wetenschappers zeggen dat de code aan bestaande algoritmen kan worden toegevoegd zonder dat je die code hoeft te herschrijven. "In principe treedt de correctie in werking wanneer dat nodig is, maar interfereert verder niet met de rest van de code", aldus Gibney.

Het is ook universeel:het kan worden toegevoegd aan code die vele soorten elektronisch gedrag simuleert, of het nu gaat om fotovoltaïsche zonnepanelen of koolstofvastlegging of supergeleidende materialen, of zelfs biologie.

Boyn legt bijvoorbeeld uit dat één toepassing zou kunnen liggen in het begrijpen van de chemie die plaatsvindt met behulp van enzymen die metaalatomen bevatten, bekend als metallo-enzymen.

"Er is bijvoorbeeld een overvloed aan metallo-enzymen die verantwoordelijk zijn voor veel van de chemie in je cellen, maar ze zijn notoir moeilijk te beschrijven met de huidige modellen," zei hij. "Deze theorie zou ons in de nabije toekomst in staat kunnen stellen deze chemie aan te pakken op een manier die nu onmogelijk is."

Meer informatie: Daniel Gibney et al, Universele generalisatie van dichtheidsfunctionele theorie voor statische correlatie, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.243003

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door Universiteit van Chicago