Nuove teorie quantistiche potrebbero rivoluzionare la scienza dei materiali
Un gruppo di fisici del Trinity College di Dublino ha sviluppato nuovi teoremi di meccanica quantistica che migliorano la comprensione dei paesaggi energetici delle particelle quantistiche. Questa ricerca, che facilita simulazioni più precise, ha il potenziale per favorire lo sviluppo di materiali per tecnologie verdi .
I fisici hanno elaborato teoremi che spiegano come l’ energia dei sistemi di particelle, come atomi e molecole, varia al cambiare del loro magnetismo e del numero di particelle. Questo risolve un problema aperto fondamentale per la simulazione della materia tramite computer, estendendo una serie di lavori significativi iniziati nei primi anni ’80.
Il lavoro combinato teorico e computazionale è stato realizzato da Andrew Burgess, dottorando alla Scuola di Fisica di Trinity, insieme al Dr. Edward Linscott, dell’Istituto Paul Scherrer in Svizzera, e al Dr. David O’Regan, professore associato di fisica a Trinity.
L’ illustrazione del paesaggio energetico esatto dell’atomo di ossigeno, descritto dalla teoria meccanica quantistica, mostra una valle piastrellata, simile a quella che si potrebbe vedere in un vecchio videogioco arcade.
Il ruolo delle simulazioni computerizzate nella scienza dei materiali è cruciale per l’esplorazione e la comprensione di molecole e materiali. Queste simulazioni, che utilizzano le equazioni della meccanica quantistica, sono essenziali nello sviluppo di materiali avanzati per applicazioni in fisica, chimica e tecnologie sostenibili. Le equazioni sono complesse e devono essere approssimate per simulazioni pratiche, un’arte che si sta perfezionando da quasi un secolo.
Dr. O’Regan descrive il paesaggio energetico come una valle con lati ripidi e angolari, dove l’altezza rappresenta l’energia di insiemi isolati di particelle, come le molecole. Modificare il numero di elettroni o il magnetismo della molecola equivale a muoversi rispettivamente verso l’alto o lateralmente nella valle.
Andrew Burgess spiega che, mentre lavorava su un problema diverso, ha scoperto che i teoremi meccanici quantistici esistenti potevano essere applicati a sistemi con un elettrone, come l’atomo di idrogeno, ma erano meno informativi per sistemi con due elettroni, come l’atomo di elio.
Dr. Linscott sottolinea l’importanza di comprendere questa geografia energetica per risolvere problemi reali, come lo sviluppo di materiali per pannelli solari più efficienti o catalizzatori per la chimica industriale. La conoscenza del paesaggio energetico può migliorare l’accuratezza delle simulazioni usate per progettare questi materiali.
Dr. O’Regan aggiunge che le differenze di energia e le pendenze del paesaggio energetico sono fondamentali per la stabilità della materia, le interazioni tra materiali e luce, le reazioni chimiche e gli effetti magnetici. Conoscere l’intera superficie della valle, inclusi stati di alta magnetizzazione, sta già aiutando a sviluppare migliori strumenti per simulare materiali complessi.
Riflettendo sulla natura di questa ricerca, Burgess evidenzia l’interazione tra teoria e simulazione pratica, sottolineando come il lavoro teorico e la simulazione applicata si motivino e migliorino reciprocamente. Ha anche menzionato che sono già stati sviluppati nuovi metodi per modellare materiali basati su questi teoremi, attualmente testati su materiali per catodi di batterie, preannunciando ulteriori sviluppi entusiasmanti.
Il lavoro è stato finanziato dal Consiglio di Ricerca Irlandese e dalla Fondazione Nazionale Svizzera per la Scienza.