Incluso las ideas científicas más brillantes necesitan datos. Solo este año la primera imagen de un agujero negro finalmente proporcionó la evidencia necesaria para respaldar las teorías de Einstein de 100 años de antigüedad.

Los materiales cuánticos no son ajenos a esta necesidad. La teoría ganadora del Premio Breakthrough propuesta por Charles Kane y Eugene Mele de Penn sobre aisladores topológicos, materiales que actúan como aislantes en el interior y conductores en la superficie, se convirtió en la base de un campo de investigación en física que espera ayudar a los ingenieros a desarrollar dispositivos optoelectrónicos o computadoras cuánticas más eficientes.

Liang Wu y su laboratorio están generando datos para ayudar a dar vida a estas y otras ideas en el campo de los materiales cuánticos. Como profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la Escuela de Artes y Ciencias de Penn, Wu se centra en experimentos ópticos que pueden ayudar a los científicos, tanto en el lado teórico como en el experimental, comprender esta clase de materiales mientras, en ocasiones, haciendo nuevos descubrimientos en el proceso.

Si bien Wu dice que gran parte del trabajo en el laboratorio es más "rutinario, "verificar las predicciones hechas por los teóricos, pero que hay ocasiones en que un experimento encuentra algo inesperado que no fue predicho por una teoría. En ambos casos, existe una colaboración considerable entre ambos tipos de grupos de investigadores, entre experimentos en ejecución, dar sentido a los resultados, y planificar experimentos adicionales que puedan ayudar a confirmar nuevas hipótesis.

El laboratorio de Wu realiza experimentos de óptica para estudiar las formas en que la luz interactúa con los materiales cuánticos. El grupo está estudiando efectos en el régimen de respuesta no lineal, donde la relación entre entrada y salida es más complicada de modelar. "La óptica es uno de los campos en los que tenemos un buen conocimiento de los efectos lineales, pero lo que es más interesante a menudo son las respuestas no lineales. Es difícil de manejar pero extremadamente útil, "dice el estudiante graduado Jon Stensberg.

Stensberg y el estudiante graduado Xingyue Han trabajan en señales de terahercios, ondas submilimétricas que no son visibles a simple vista. Han, quien hizo su tesis de pregrado con Wu y ayudó a construir dos configuraciones personalizadas de terahercios, utiliza materiales topológicos magnéticos para estudiar las interacciones entre la materia y la luz. Este trabajo podría eventualmente conducir a emisores de terahercios y dispositivos de memoria más eficientes que podrían realizar 1, 000 veces más rápido que las plataformas existentes.

Stensberg está analizando las interacciones entre los aislantes topológicos y los superconductores para ayudar a fabricar dispositivos de computación cuántica más estables. Los dispositivos de almacenamiento de información cuántica actuales son muy frágiles, por lo que es fácil que los datos se pierdan o se codifiquen. A través de su investigación fundamental, Stensberg espera encontrar un material que pueda almacenar estados cuánticos en fases topológicas para una mayor estabilidad a largo plazo.

Otro estudiante de posgrado, Zhuoliang Ni, ha construido tres configuraciones ópticas no lineales diferentes y está explorando las propiedades fundamentales de los materiales topológicos que pueden convertir de manera eficiente la luz en corriente eléctrica. Uno de los objetivos es encontrar materiales electrónicos ópticos que se puedan encender y apagar más rápidamente, lo que los haría más eficientes energéticamente. El trabajo preliminar ha encontrado algunos posibles contendientes, y Wu y Ni ahora están trabajando con teóricos para desarrollar nuevos modelos para comprender los datos que están recolectando.

Joe Qiu, un gerente de programa en la Oficina de Investigación del Ejército que financia el trabajo de Wu, dice que esta investigación tiene el potencial de crear dispositivos que pueden ayudar a las personas a percibir mejor su entorno, lo que podría ser especialmente útil para el conocimiento de la situación de los soldados.

"La comprensión de las propiedades fundamentales de los semimetales de Weyl magnéticos y los semimetales de fermiones de múltiples pliegues sentará las bases para nuevos paradigmas tecnológicos para aplicaciones que incluyen dispositivos de memoria espintrónica para el procesamiento de información, electrónica energéticamente eficiente, y fuentes de terahercios, "Dice Qiu.

Gran parte del tiempo del grupo se dedica a alinear y ejecutar experimentos ópticos, trabajo que, según Wu, requiere mucho tiempo y paciencia "Es un gran salto, "dice acerca de pasar de comprender una teoría a preparar y ejecutar experimentos". Al principio es lento; Toma tiempo."

Los estudiantes de Wu dicen que a pesar de los desafíos del trabajo, La creación y ejecución de experimentos es una gran oportunidad de aprendizaje. "Aprendí mucho más del proceso, "dice Han". Por ejemplo, en clase puedo, decir, aplicar un campo magnético y observar una partícula, pero aquí primero tienes que aplicar un campo magnético, y eso siempre es muy complicado ".

Wu comenzó su carrera académica como un estudiante de ingeniería ambiental que estaba interesado en resolver problemas. Deseando profundizar más en la ciencia fundamental, cambió su estudio a la física para poder usar las matemáticas para resolver problemas. "La física es algo en lo que puedo usar mucho las matemáticas, algo que en ciertos casos puede dar lugar a aplicaciones, " él dice.

La investigación de Stensberg sobre las interacciones entre aisladores topológicos y superconductores está motivada por aplicaciones de computación cuántica. Él dice que la oportunidad de trabajar en experimentos ópticos desafiantes es increíblemente gratificante. "Tenemos que entender cómo funciona todo y cómo se une todo, "Dice sobre las mesas ópticas con las que trabajan en el laboratorio.

Sus estudiantes de posgrado comparten pasiones similares por la física y se sintieron atraídos por el laboratorio debido a la conexión del trabajo entre la teoría y el experimento. Stensberg conoció a Wu cuando el laboratorio estaba lleno de gabinetes vacíos y agrega que el ambiente positivo del departamento lo atrajo a Penn. "La gente de aquí parecía realmente feliz, ", dice." Les gusta trabajar con la gente de aquí, les gusta la ciudad, y el trabajo fue realmente interesante ".

Wu fue galardonado recientemente con el premio William McMillan de 2019 por sus contribuciones a la física de la materia condensada. Unos años después de que se teorizaran por primera vez los aislantes topológicos, Wu comenzó a analizar su electrodinámica. Con un poco de suerte y mucho esfuerzo, pudo identificar materiales topológicos llamados semimetales de Weyl, un material con una gran no linealidad óptica donde la fotocorriente podría generarse de manera muy eficiente. Sus resultados "demasiado buenos para ser verdad" resultaron increíblemente fructíferos.

En los próximos años, Wu espera que el grupo mantenga su enfoque en la investigación de materiales topológicos fundamentales, aunque admite que es difícil saber qué depara el futuro para un campo tan joven. "Cuando comencé la escuela de posgrado, mi asesor de posgrado me dijo que este es un campo nuevo, hay muchas oportunidades, pero también podría morir en dos años. En ese momento no sabía mucho sobre experimentos, así que seguí trabajando y tuve suerte de que este campo realmente explotara, "dice Wu.

Dentro del laboratorio su investigación es realmente explosiva, de una manera emocionante pero no peligrosa, sus alumnos enfatizan. Equipado con numerosos láseres, lentes, imanes y dispositivos de medición, su laboratorio del sótano es, bastante literal, zumbido.

"Mi investigación es más fundamental, pero realmente espero que algún día puedan ser útiles para aplicaciones, ", dice." Estamos construyendo y aprendiendo, y creo que la parte más emocionante de hacer experimentos es descubrir algo nuevo ".