Anche le idee scientifiche più brillanti hanno bisogno di dati. Proprio quest'anno, la prima immagine in assoluto di un buco nero ha finalmente fornito le prove necessarie per supportare le teorie centenarie di Einstein.

I materiali quantistici non sono estranei a questa esigenza. La teoria vincitrice del premio Breakthrough proposta da Charles Kane ed Eugene Mele di Penn sugli isolanti topologici, materiali che fungono da isolanti all'interno e conduttori in superficie, è diventata la base per un campo di ricerca in fisica che spera di aiutare gli ingegneri a sviluppare dispositivi optoelettronici o computer quantistici più efficienti.

Liang Wu e il suo laboratorio stanno generando dati per aiutare a dare vita a queste e altre idee nel campo dei materiali quantistici. In qualità di assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della School of Arts and Scienes a Penn, Wu si concentra su esperimenti ottici che possono aiutare gli scienziati, sia dal punto di vista teorico che sperimentale, comprendere questa classe di materiali mentre, all'occasione, fare nuove scoperte nel processo.

Mentre Wu dice che gran parte del lavoro in laboratorio è più "di routine, " verificando le previsioni fatte dai teorici, ma che ci sono momenti in cui un esperimento trova qualcosa di inaspettato che non era previsto da una teoria. In entrambi i casi, c'è una notevole collaborazione tra entrambi i tipi di gruppi di ricercatori, tra esperimenti in corso, dare un senso ai risultati, e pianificare ulteriori esperimenti che possono aiutare a confermare nuove ipotesi.

Il laboratorio Wu conduce esperimenti di ottica per studiare i modi in cui la luce interagisce con i materiali quantistici. Il gruppo sta studiando gli effetti nel regime di risposta non lineare, dove la relazione tra input e output è più complicata da modellare. "L'ottica è uno dei campi in cui abbiamo una buona comprensione degli effetti lineari, ma ciò che è più interessante sono spesso le risposte non lineari. È difficile da affrontare ma estremamente utile, ", afferma lo studente laureato Jon Stensberg.

Stensberg e lo studente laureato Xingyue Han lavorano su segnali terahertz, onde submillimetriche non visibili ad occhio nudo. Han, che ha fatto la sua tesi di laurea con Wu e ha contribuito a costruire due configurazioni personalizzate di terahertz, utilizza materiali topologici magnetici per studiare le interazioni tra materia e luce. Questo lavoro potrebbe eventualmente portare a emettitori terahertz e dispositivi di memoria più efficienti in grado di eseguire 1, 000 volte più veloce delle piattaforme esistenti.

Stensberg sta esaminando le interazioni tra isolanti topologici e superconduttori per aiutare a rendere più stabili i dispositivi di calcolo quantistico. Gli attuali dispositivi di archiviazione delle informazioni quantistiche sono molto fragili, quindi è facile che i dati vengano persi o confusi. Attraverso la sua ricerca fondamentale, Stensberg spera di trovare un materiale in grado di immagazzinare stati quantistici in fasi topologiche per una maggiore stabilità a lungo termine.

Un altro studente laureato, Zhuoliang Ni, ha costruito tre diverse configurazioni ottiche non lineari e sta esplorando le proprietà fondamentali dei materiali topologici che possono convertire in modo efficiente la luce in corrente elettrica. Un obiettivo è trovare materiali elettronici ottici che possano essere accesi e spenti più rapidamente, che li renderebbe più efficienti dal punto di vista energetico. Il lavoro preliminare ha trovato alcuni possibili contendenti, e Wu e Ni stanno ora lavorando con i teorici per sviluppare nuovi modelli per comprendere i dati che stanno raccogliendo.

Joe Qiu, un responsabile del programma presso l'Ufficio di ricerca dell'esercito che finanzia il lavoro di Wu, afferma che questa ricerca ha il potenziale per creare dispositivi che possono aiutare le persone a percepire meglio il loro ambiente, che potrebbe essere particolarmente utile per la consapevolezza della situazione del soldato.

"Comprendere le proprietà fondamentali dei semimetalli magnetici Weyl e dei semimetalli Fermions multipli getterà le basi per nuovi paradigmi tecnologici per applicazioni che includono dispositivi di memoria spintronica per l'elaborazione delle informazioni, elettronica ad alta efficienza energetica, e sorgenti terahertz, " dice Qi.

Gran parte del tempo del gruppo viene speso ad allineare ed eseguire esperimenti ottici, lavoro che Wu dice richiede molto tempo e pazienza "È un grande salto, " dice a proposito del passaggio dalla comprensione di una teoria all'impostazione e all'esecuzione di esperimenti. "All'inizio è lento; richiede tempo."

Gli studenti di Wu affermano che nonostante le difficoltà del lavoro, l'impostazione e l'esecuzione di esperimenti è una grande opportunità di apprendimento. "Ho imparato molto di più dal processo, " dice Han. "Per esempio, in classe posso, dire, applicare un campo magnetico e osservare una particella, ma qui prima devi applicare un campo magnetico, e questo è sempre molto complicato".

Wu ha iniziato la sua carriera accademica specializzando in ingegneria ambientale, desideroso di risolvere i problemi. Volendo approfondire la scienza fondamentale, ha cambiato i suoi studi in fisica in modo da poter usare la matematica per risolvere i problemi. "La fisica è qualcosa in cui posso usare molto la matematica, qualcosa che in alcuni casi potrebbe portare a domande, " lui dice.

La ricerca di Stensberg sulle interazioni tra isolanti topologici e superconduttori è motivata da applicazioni di calcolo quantistico. Dice che l'opportunità di lavorare su esperimenti di ottica impegnativi è incredibilmente gratificante. "Dobbiamo capire come funziona tutto e come tutto si riunisce, " dice dei tavoli ottici con cui lavorano in laboratorio.

I suoi studenti laureati condividono passioni simili per la fisica e sono stati attratti dal laboratorio a causa della connessione del lavoro tra teoria ed esperimento. Stensberg ha incontrato Wu quando il laboratorio era pieno di armadietti vuoti e aggiunge che l'atmosfera positiva del dipartimento lo ha attratto a Penn. "La gente qui sembrava molto sinceramente felice, " dice. "A loro piace lavorare con le persone qui, a loro piace la città, e il lavoro è stato davvero interessante."

Wu è stato recentemente insignito del William McMillan Award 2019 per i suoi contributi alla fisica della materia condensata. Pochi anni dopo la prima teorizzazione degli isolanti topologici, Wu iniziò a esaminare la loro elettrodinamica. Con un po' di fortuna e molto impegno, è stato in grado di identificare materiali topologici chiamati semimetalli Weyl, un materiale con una grande non linearità ottica in cui la fotocorrente potrebbe essere generata in modo molto efficiente. I suoi risultati "troppo belli per essere veri" si sono rivelati incredibilmente fruttuosi.

Nei prossimi anni, Wu spera che il gruppo si concentri sulla ricerca fondamentale sui materiali topologici, anche se ammette che è difficile sapere cosa riserva il futuro per un campo così giovane. "Quando ho iniziato la scuola di specializzazione, il mio consulente laureato mi ha detto che questo è un nuovo campo, ci sono molte opportunità, ma potrebbe anche morire in due anni. All'epoca non sapevo molto di esperimenti, quindi ho continuato a lavorare, e sono stato fortunato che questo campo sia davvero esploso, "dice Wu.

All'interno del laboratorio, la loro ricerca è davvero esplosiva, in modo entusiasmante ma non pericoloso, sottolineano i suoi studenti. Dotato di numerosi laser, lenti a contatto, magneti, e dispositivi di misurazione, il loro laboratorio nel seminterrato è, letteralmente, ronzio.

"La mia ricerca è più fondamentale, ma spero davvero che un giorno possano essere utili per le applicazioni, " dice. "Stiamo costruendo e imparando, e penso che la parte più eccitante del fare esperimenti sia scoprire qualcosa di nuovo".