Vetenskapen är redo att ta ett "kvantsprång" eftersom fler mysterier om hur atomer beter sig och interagerar med varandra låses upp.

Kvantfysikens område, med sina komplexa matematiska ekvationer för att förutsäga interaktioner och energinivåer för atomer och elektroner, har redan möjliggjort många tekniker vi litar på varje dag - från datorer och smartphones, till lasrar och magnetisk resonansavbildning. Och experter säger att revolutionära framsteg kommer att komma.

Men för att ta ett stort steg, du måste vara fysiskt vältränad, och forskare vid University of Delaware har hittat ett område med kvantfysik som kan använda lite mer kalisthenik, Du kanske säger. Forskningen, utförd av doktoranden Muhammed Shahbaz med sin rådgivare, Prof. Krzysztof Szalewicz vid UD -avdelningen för fysik och astronomi, publicerades nyligen i Fysiska granskningsbrev , tidskriften för American Physical Society.

Precis som människor, atomer kan lockas till varandra, eller, väl, bli avvisad. Ta argon - den tredje mest förekommande gasen i jordens atmosfär. Denna icke-reaktiva gas har en mängd olika användningsområden, från att skydda historiska dokument till att förhindra att volframtråden korroderar i lysrör. När två argonatomer är långt ifrån varandra, de kommer att attraheras av varandra tills de når ner till cirka 3,5 ångström och sedan kommer de att stöta bort varandra. Det är som om de en gång har fått en riktigt bra titt på varandra, de är redo att gå vidare.

Men det är inte vad fysikerna hittade för ungefär två decennier sedan när de testade densitet-funktionell teori (DFT), som nu används i stor utsträckning för att modellera och förutsäga atomernas elektroniska struktur. De flesta versioner av DFT förutsade antingen ingen attraktion eller bara en mycket svag. Var låg misslyckandet? Attraktionen mellan argonatomer härrör från "dispersionsinteraktioner" mellan elektroner, eftersom rörelserna hos elektronerna i en atom påverkar rörelserna hos elektronerna hos sin partner. DFT kan inte exakt redogöra för dessa korrelerade rörelser på långt avstånd.

Och det är ett problem, särskilt inom ett område som materialvetenskap, där fysiker kan utforma och förutsäga egenskaperna hos ett nytt material - från dess styrka till dess magnetism till dess förmåga att leda värme - utan att någonsin gå in i ett labb för att göra ett experiment.

Så fysiker började utveckla "fudge -faktorer" i början av 2000 -talet för att redogöra för denna spridningsenergi. Några av dessa metoder visade sig ge ganska bra resultat och blev ett extremt populärt verktyg inom beräkningsfysik, kemi och materialvetenskap. De vetenskapliga artiklar som föreslår sådana metoder har citerats tiotusentals gånger.

Vad Shahbaz och Szalewicz har visat, efter mer än ett år av intensiva analyser, är att alla dessa fudged -metoder faktiskt är baserade på ett felaktigt antagande. DFT kan beskriva hur rörelsen hos en elektron påverkar båda, och påverkas av, rörelsen hos en annan elektron när avståndet mellan dem är i storleksordningen en ångström. Vid separationer över en ångström till cirka sju ångström, korrigeringsmetoderna förutsätter att DFT återställer en bråkdel av dessa effekter. Shahbaz och Szalewicz har funnit att denna mängd inte har de karakteristiska egenskaperna hos dispersionsenergi och faktiskt kommer från fel i teorin som inte är relaterade till dispersion. Således, säger forskarna, korrigeringsmetoderna kan få bra resultat, men av fel skäl.

"Vi säger till fysikgemenskapen att du måste gå längre, mot en universell metod för förutsägelse som fungerar av rätt skäl, "Säger Shahbaz." Vi är inte här för att kritisera, men för att förbättra, "tillägger han ödmjukt.

För närvarande, Szalewicz och Shahbaz ingår i ett team av teoretiker och experimenter från universitet i hela USA som använder kvantfysik för att förutsäga kristallers strukturer och energier, varav snöflingor, is, de flesta stenar och mineraler, lite plast, läkemedel, energiskt material och andra produkter tillverkas. Deras komplexa beräkningar förutsäger, till exempel, hur mycket energi som kan packas in i en given volym raketbränsle.

Shahbaz, vem är den första författaren till tidningsartikeln, säger att han aldrig som barn i sin lilla by i Pakistan skulle ha gissat på att han en dag skulle bli fysikprofessor. Han växte upp och hjälpte sin far, vem är bonde, odla vass, ris, chilis, tomater, äggplanter, rädisor och okra. Nu är han den första i sin familj som tilldelas ett högskoleexamen - för att inte tala om akademiens högsta examen, som nu är synligt.

När han sökte till forskarskolan, han fick erbjudanden från universitet i USA och Kanada, men säger att han slutligen bestämde sig för UD på grund av universitetets rykte och flexibiliteten att först arbeta med en magisterexamen. Han säger att det hjälpte honom att bestämma vad han egentligen ville fokusera sin forskning på.

När han avslutar sin doktorsexamen de närmaste månaderna, han har redan ett jobb uppställt, som biträdande professor i fysik vid University of the Punjab i Lahore, där han är avsedd att haka elever på hur ljus och gravitation fungerar, precis som han var förtrollad som ung.

Så varför gillar han fysik så mycket? "Fysiken berättar om naturlagarna, "Säger Shahbaz." Det kräver också resonemang. Du behöver inte memorera någonting - bara absorbera livet. "