La science est sur le point de faire un "saut quantique" alors que d'autres mystères sur la façon dont les atomes se comportent et interagissent les uns avec les autres sont débloqués.

Le domaine de la physique quantique, avec ses équations mathématiques complexes pour prédire les interactions et les niveaux d'énergie des atomes et des électrons, a déjà rendu possible de nombreuses technologies sur lesquelles nous comptons chaque jour, des ordinateurs aux smartphones, aux lasers et à l'imagerie par résonance magnétique. Et les experts disent que des avancées révolutionnaires sont destinées à venir.

Mais pour faire un pas de géant, il faut être en bonne forme physique, et des chercheurs de l'Université du Delaware ont découvert un domaine de la physique quantique qui pourrait utiliser un peu plus la gymnastique suédoise, tu pourrais dire. La recherche, réalisée par le doctorant Muhammed Shahbaz avec son conseiller, Prof. Krzysztof Szalewicz du Département de physique et d'astronomie de l'UD, a été publié récemment dans Lettres d'examen physique , le journal de l'American Physical Society.

Tout comme les gens, les atomes peuvent être attirés les uns vers les autres, ou, bien, être repoussé. Prenez l'argon, le troisième gaz le plus abondant dans l'atmosphère terrestre. Ce gaz non réactif a une variété d'utilisations, de la protection des documents historiques à la prévention de la corrosion du filament de tungstène dans les lampes fluorescentes. Lorsque deux atomes d'argon sont éloignés l'un de l'autre, ils seront attirés l'un par l'autre jusqu'à ce qu'ils descendent à environ 3,5 angströms, puis ils se repousseront. C'est comme si une fois qu'ils s'étaient bien regardés, ils sont prêts à passer à autre chose.

Mais ce n'est pas ce que les physiciens ont découvert il y a environ deux décennies lorsqu'ils ont testé la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), qui est maintenant largement utilisé pour modéliser et prédire la structure électronique des atomes. La plupart des versions de DFT ne prédisaient aucune attraction ou seulement une très faible. Où est passé l'échec ? L'attraction entre les atomes d'argon provient des "interactions de dispersion" entre les électrons, comme les mouvements des électrons d'un atome influencent les mouvements des électrons de son partenaire. DFT ne peut pas expliquer avec précision ces mouvements corrélés à longue distance.

Et c'est un problème, surtout dans un domaine comme la science des matériaux, où les physiciens peuvent concevoir et prédire les propriétés d'un nouveau matériau - de sa force à son magnétisme à sa capacité à conduire la chaleur - sans jamais entrer dans un laboratoire pour faire une expérience.

Les physiciens ont donc commencé à développer des « facteurs de fudge » au début des années 2000 pour tenir compte de cette énergie de dispersion. Certaines de ces méthodes se sont avérées donner des résultats raisonnablement bons et sont devenues un outil extrêmement populaire en physique computationnelle, chimie et science des matériaux. Les articles scientifiques proposant de telles méthodes ont été cités des dizaines de milliers de fois.

Ce que Shahbaz et Szalewicz ont montré, après plus d'un an d'analyses intenses, est que toutes ces méthodes truquées sont en fait basées sur une hypothèse erronée. DFT peut décrire comment le mouvement d'un électron affecte à la fois, et est affecté par, le mouvement d'un autre électron lorsque la distance entre eux est de l'ordre d'un angström. Aux séparations supérieures à un angström à environ sept angströms, les méthodes de correction supposent que la DFT récupère une fraction de ces effets. Shahbaz et Szalewicz ont découvert que cette quantité n'a pas les propriétés caractéristiques de l'énergie de dispersion et provient en fait d'erreurs dans la théorie qui ne sont pas liées à la dispersion. Ainsi, disent les chercheurs, les méthodes de correction peuvent obtenir de bons résultats, mais pour de mauvaises raisons.

"Nous disons à la communauté des physiciens qu'il faut aller plus loin, vers une méthode universelle de prédiction qui fonctionne pour les bonnes raisons, " dit Shahbaz. " Nous ne sommes pas là pour critiquer, mais pour aider à s'améliorer, " ajoute-t-il humblement.

Actuellement, Szalewicz et Shahbaz font partie d'une équipe de théoriciens et d'expérimentateurs d'universités des États-Unis qui utilisent la physique quantique pour prédire les structures et les énergies des cristaux, l'étoffe dont les flocons de neige, la glace, la plupart des roches et minéraux, certains plastiques, médicaments, des matériaux énergétiques et d'autres produits sont fabriqués. Leurs calculs complexes prédisent, par exemple, quelle quantité d'énergie peut être contenue dans un volume donné de carburant de fusée.

Shahbaz, qui est le premier auteur de l'article de revue, dit qu'il n'aurait jamais deviné quand il était enfant dans son petit village au Pakistan qu'il deviendrait un jour professeur de physique. Il a grandi en aidant son père, qui est agriculteur, faire pousser du roseau, riz, piments, tomates, aubergines, radis et gombo. Aujourd'hui, il est le premier de sa famille à obtenir un diplôme d'études collégiales, sans parler du plus haut diplôme universitaire, qui est maintenant bien en vue.

Lorsqu'il a postulé à l'école doctorale, il a reçu des offres d'universités aux États-Unis et au Canada, mais dit qu'il a finalement opté pour l'UD en raison de la réputation de l'université et de la flexibilité de travailler d'abord sur une maîtrise. Il dit que cela l'a aidé à décider sur quoi il voulait vraiment concentrer ses recherches.

Lorsqu'il achèvera son doctorat dans les prochains mois, il a déjà un travail en vue, en tant que professeur assistant de physique à l'Université du Pendjab à Lahore, où il est destiné à accrocher les étudiants sur le fonctionnement de la lumière et de la gravité, tout comme il était captivé dans sa jeunesse.

Alors pourquoi aime-t-il autant la physique ? "La physique vous parle des lois de la nature, " dit Shahbaz. " Cela demande aussi du raisonnement. Vous n'avez rien à mémoriser, absorbez simplement la vie."