Mesmo as idéias científicas mais brilhantes precisam de dados. Só este ano, a primeira imagem de um buraco negro finalmente forneceu as evidências necessárias para apoiar as teorias centenárias de Einstein.

Os materiais quânticos não são estranhos a essa necessidade. A teoria ganhadora do Prêmio Breakthrough proposta por Penn's Charles Kane e Eugene Mele sobre isoladores topológicos, materiais que atuam como isolantes no interior e condutores na superfície, tornou-se a base para um campo de pesquisa da física que espera ajudar engenheiros a desenvolver dispositivos optoeletrônicos ou computadores quânticos mais eficientes.

Liang Wu e seu laboratório estão gerando dados para ajudar a dar vida a essas e outras ideias no campo dos materiais quânticos. Como professor assistente no Departamento de Física e Astronomia da School of Arts and Scienes da Penn, Wu está focado em experimentos ópticos que podem ajudar os cientistas, tanto no lado teórico quanto experimental, entender esta classe de materiais enquanto, Em ocasião, fazendo novas descobertas no processo.

Embora Wu diga que muito do trabalho no laboratório é mais "rotineiro, "verificar as previsões feitas por teóricos, mas que há momentos em que um experimento encontra algo inesperado que não foi previsto por uma teoria. Em ambos os casos, há uma colaboração considerável entre os dois tipos de grupos de pesquisadores, entre os experimentos em execução, dando sentido aos resultados, e planejamento de experimentos adicionais que podem ajudar a confirmar novas hipóteses.

O laboratório Wu conduz experimentos ópticos para estudar as maneiras como a luz interage com os materiais quânticos. O grupo está estudando os efeitos do regime de resposta não linear, onde a relação entre entrada e saída é mais complicada de modelar. "Óptica é um dos campos em que temos uma boa compreensão dos efeitos lineares, mas o que é mais interessante geralmente são as respostas não lineares. É difícil de lidar, mas extremamente útil, "diz o aluno de graduação Jon Stensberg.

Stensberg e o estudante de graduação Xingyue Han trabalham em sinais terahertz, ondas submilimétricas que não são visíveis a olho nu. Han, que fez sua tese de graduação com Wu e ajudou a construir duas configurações personalizadas de terahertz, usa materiais topológicos magnéticos para estudar as interações entre matéria e luz. Este trabalho pode eventualmente levar a emissores de terahertz e dispositivos de memória mais eficientes que podem executar 1, 000 vezes mais rápido do que as plataformas existentes.

Stensberg está analisando as interações entre isoladores topológicos e supercondutores para ajudar a fazer dispositivos de computação quântica mais estáveis. Os atuais dispositivos de armazenamento de informações quânticas são muito frágeis, portanto, é fácil perder ou misturar os dados. Por meio de sua pesquisa fundamental, Stensberg espera encontrar um material que possa armazenar estados quânticos em fases topológicas para uma estabilidade mais duradoura.

Outro estudante de graduação, Zhuoliang Ni, construiu três configurações ópticas não lineares diferentes e está explorando as propriedades fundamentais dos materiais topológicos que podem converter luz em corrente elétrica de forma eficiente. Um dos objetivos é encontrar materiais eletrônicos ópticos que possam ser ligados e desligados mais rapidamente, o que os tornaria mais eficientes em termos de energia. O trabalho preliminar encontrou alguns candidatos possíveis, e Wu e Ni estão agora trabalhando com teóricos para desenvolver novos modelos para entender os dados que estão coletando.

Joe Qiu, um gerente de programa no Escritório de Pesquisa do Exército que financia o trabalho de Wu, afirma que esta pesquisa tem o potencial de criar dispositivos que podem ajudar as pessoas a sentir melhor o ambiente, que pode ser especialmente útil para a consciência situacional do soldado.

"Compreender as propriedades fundamentais dos semimetais magnéticos de Weyl e dos semimetais multifoldados dos Férmions estabelecerá uma base para novos paradigmas tecnológicos para aplicações, incluindo dispositivos de memória spintrônica para processamento de informações, eletrônicos com eficiência energética, e fontes terahertz, "Qiu diz.

Grande parte do tempo do grupo é gasto alinhando e executando experimentos ópticos, trabalho que Wu diz requer muito tempo e paciência "É um grande salto, “ele diz sobre ir da compreensão de uma teoria para a criação e execução de experimentos.“ No começo é lento; leva tempo."

Os alunos de Wu dizem que, apesar dos desafios do trabalho, configurar e executar experimentos é uma ótima oportunidade de aprendizado. “Aprendi muito mais com o processo, "diz Han." Por exemplo, na aula eu posso, dizer, aplique um campo magnético e observe uma partícula, mas aqui primeiro você tem que aplicar um campo magnético, e isso é sempre muito complicado. "

Wu começou sua carreira acadêmica como engenheiro ambiental, interessado em resolver problemas. Querendo mergulhar mais profundamente na ciência fundamental, ele mudou seu estudo para física para que pudesse usar a matemática para resolver problemas. "A física é algo em que posso usar muito a matemática, algo que, em certos casos, pode levar a aplicativos, " ele diz.

A pesquisa de Stensberg sobre as interações entre isoladores topológicos e supercondutores é motivada por aplicações de computação quântica. Ele diz que a oportunidade de trabalhar em experimentos óticos desafiadores é incrivelmente recompensadora. "Temos que entender como tudo isso funciona e como tudo se junta, "Ele comenta sobre as mesas ópticas com as quais trabalham no laboratório.

Seus alunos de pós-graduação compartilham paixões semelhantes pela física e foram atraídos para o laboratório por causa da conexão do trabalho entre teoria e experimento. Stensberg conheceu Wu quando o laboratório estava cheio de armários vazios e acrescenta que o ambiente positivo do departamento o atraiu para Penn. "As pessoas aqui pareciam genuinamente felizes, "ele diz." Eles gostam de trabalhar com as pessoas aqui, eles gostam da cidade, e o trabalho foi muito interessante. "

Wu recebeu recentemente o prêmio William McMillan de 2019 por suas contribuições à física da matéria condensada. Poucos anos depois que os isoladores topológicos foram teorizados pela primeira vez, Wu começou a examinar sua eletrodinâmica. Com um pouco de sorte e muito esforço, ele foi capaz de identificar materiais topológicos chamados semimetais de Weyl, um material com grande não linearidade óptica onde a foto-corrente pode ser gerada de forma muito eficiente. Seus resultados "bons demais para ser verdade" se mostraram incrivelmente frutíferos.

Nos próximos anos, Wu espera que o grupo mantenha o foco na pesquisa de materiais topológicos fundamentais, embora ele admita que é difícil saber o que o futuro reserva para um campo tão jovem. "Quando comecei a pós-graduação, meu orientador de pós-graduação me disse que este é um novo campo, existem muitas oportunidades, mas também pode morrer em dois anos. Na época eu não sabia muito sobre experimentos, então eu continuei trabalhando, e eu tive sorte que este campo realmente explodiu, "diz Wu.

Dentro do laboratório, sua pesquisa é realmente explosiva, de uma forma emocionante, mas não perigosa, seus alunos enfatizam. Equipado com vários lasers, lentes, ímãs, e dispositivos de medição, o laboratório subterrâneo deles é, literalmente, zumbido.

"Minha pesquisa é mais fundamental, mas eu realmente espero que um dia eles possam ser úteis para aplicativos, "diz ele." Estamos construindo e aprendendo, e acho que a parte mais empolgante de fazer experimentos é descobrir algo novo. "