La ciencia está preparada para dar un "salto cuántico" a medida que se desvelen más misterios sobre cómo se comportan e interactúan los átomos entre sí.

El campo de la física cuántica, con sus complejas ecuaciones matemáticas para predecir las interacciones y los niveles de energía de átomos y electrones, ya ha hecho posible muchas tecnologías en las que confiamos todos los días, desde computadoras y teléfonos inteligentes, a los láseres y la resonancia magnética. Y los expertos dicen que los avances revolucionarios están destinados a llegar.

Pero para dar un gran salto tienes que estar en buena forma física, e investigadores de la Universidad de Delaware han encontrado un área de física cuántica que podría usar más calistenia, tu podrias decir. La investigación, realizado por el estudiante de doctorado Muhammed Shahbaz con su asesor, Prof. Krzysztof Szalewicz en el Departamento de Física y Astronomía de la UD, fue publicado recientemente en Cartas de revisión física , la revista de la Sociedad Estadounidense de Física.

Como la gente los átomos se pueden atraer entre sí, o, bien, ser rechazado. Tomemos el argón, el tercer gas más abundante en la atmósfera de la Tierra. Este gas no reactivo tiene una variedad de usos, desde proteger documentos históricos hasta evitar que el filamento de tungsteno se corroa en las luces fluorescentes. Cuando dos átomos de argón están lejos uno del otro, se sentirán atraídos entre sí hasta que bajen a unos 3,5 angstroms y luego se repelerán. Es como si una vez que se hayan mirado muy bien el uno al otro, están listos para seguir adelante.

Pero eso no es lo que los físicos encontraron hace dos décadas cuando probaron la teoría funcional de la densidad (DFT), que ahora se usa ampliamente para modelar y predecir la estructura electrónica de los átomos. La mayoría de las versiones de DFT no predecían ninguna atracción o solo una muy débil. ¿Dónde estuvo el fracaso? La atracción entre átomos de argón se origina en "interacciones de dispersión" entre electrones, como los movimientos de los electrones de un átomo influyen en los movimientos de los electrones de su compañero. La DFT no puede explicar con precisión estos movimientos correlacionados a larga distancia.

Y eso es un problema especialmente en un campo como la ciencia de los materiales, donde los físicos pueden diseñar y predecir las propiedades de un nuevo material, desde su fuerza hasta su magnetismo y su capacidad para conducir calor, sin tener que ir a un laboratorio para hacer un experimento.

Entonces, los físicos comenzaron a desarrollar "factores de fudge" a principios de la década de 2000 para explicar esta energía de dispersión. Algunos de estos métodos resultaron dar resultados razonablemente buenos y se convirtieron en una herramienta extremadamente popular en física computacional. química y ciencia de los materiales. Los artículos científicos que proponen tales métodos han sido citados decenas de miles de veces.

Lo que han demostrado Shahbaz y Szalewicz, después de más de un año de intensos análisis, es que todos estos métodos falsos se basan en realidad en una suposición errónea. DFT puede describir cómo afecta el movimiento de un electrón, y se ve afectado por, el movimiento de otro electrón cuando la distancia entre ellos es del orden de un angstrom. En separaciones por encima de un angstrom hasta aproximadamente siete angstrom, los métodos de corrección asumen que DFT recupera una fracción de estos efectos. Shahbaz y Szalewicz han descubierto que esta cantidad no tiene las propiedades características de la energía de dispersión y en realidad se origina en errores en la teoría que no están relacionados con la dispersión. Por lo tanto, los investigadores dicen, los métodos de corrección pueden obtener buenos resultados, pero por las razones equivocadas.

"Le decimos a la comunidad de la física que hay que ir más allá, hacia un método universal de predicción que funciona por las razones correctas, ", Dice Shahbaz." No estamos aquí para criticar, pero para ayudar a mejorar, "añade humildemente.

En la actualidad, Szalewicz y Shahbaz forman parte de un equipo de teóricos y experimentales de universidades de los Estados Unidos que utilizan la física cuántica para predecir las estructuras y energías de los cristales. cuya materia copos de nieve, hielo, la mayoría de rocas y minerales, algunos plásticos, productos farmacéuticos, Se fabrican materiales energéticos y otros productos. Sus complejos cálculos predicen, por ejemplo, cuánta energía se puede empaquetar en un volumen dado de combustible para cohetes.

Shahbaz, quién es el primer autor del artículo de la revista, dice que de niño en su pequeño pueblo de Pakistán nunca hubiera imaginado que algún día se convertiría en profesor de física. Creció ayudando a su padre, quien es un granjero, crecer caña, arroz, chiles, Tomates, berenjenas, rábanos y quingombó. Ahora es el primero en su familia en recibir un diploma universitario, sin mencionar el título académico más alto, que ahora está a la vista.

Cuando estaba solicitando ingreso a la escuela de posgrado, recibió ofertas de universidades en los Estados Unidos y Canadá, pero dice que finalmente se decidió por la UD debido a la reputación de la Universidad y la flexibilidad para trabajar primero en una maestría. Dice que eso lo ayudó a decidir en qué realmente quería enfocar su investigación.

Cuando complete su doctorado en los próximos meses, ya tiene un trabajo preparado, como profesor asistente de física en la Universidad del Punjab en Lahore, donde está destinado a enganchar a los estudiantes sobre cómo funcionan la luz y la gravedad, del mismo modo que estaba cautivado cuando era joven.

Entonces, ¿por qué le gusta tanto la física? "La física te informa sobre las leyes de la naturaleza, "Dice Shahbaz." También exige razonamiento. No tienes que memorizar nada, simplemente absorber la vida ".