At bringe ideer ud i livet gennem eksperimentel fysik

Selv de mest geniale videnskabelige ideer har brug for data. Bare i år, det første nogensinde billede af et sort hul gav endelig de nødvendige beviser for at understøtte Einsteins 100 år gamle teorier.

Kvantematerialer er ikke fremmed for dette behov. Den gennembrudsprisvindende teori foreslået af Penns Charles Kane og Eugene Mele om topologiske isolatorer, materialer, der fungerer som isolatorer på indersiden og ledere på overfladen, blev grundlaget for et felt af fysikforskning, der håber at hjælpe ingeniører med at udvikle mere effektive optoelektroniske enheder eller kvantecomputere.

Liang Wu og hans laboratorium genererer data for at hjælpe med at bringe disse og andre ideer inden for kvantematerialer ud i livet. Som adjunkt i Fysik &Astronomi-afdelingen på School of Arts and Sciences i Penn, Wu er fokuseret på optiske eksperimenter, der kan hjælpe videnskabsmænd, både på den teoretiske og eksperimentelle side, forstå denne klasse af materialer, mens lejlighedsvis, gør nye opdagelser i processen.

Mens Wu siger, at meget af arbejdet i laboratoriet er mere "rutinemæssigt, "verificere forudsigelser lavet af teoretikere, men at der er tidspunkter, hvor et eksperiment finder noget uventet, som ikke var forudsagt af en teori. I begge tilfælde, der er et betydeligt samarbejde mellem begge typer forskergrupper, mellem kørende eksperimenter, give mening om resultater, og planlægning af yderligere eksperimenter, der kan hjælpe med at bekræfte nye hypoteser.

Wu-laboratoriet udfører optiske eksperimenter for at studere, hvordan lys interagerer med kvantematerialer. Gruppen studerer effekter i det ikke-lineære responsregime, hvor forholdet mellem input og output er mere kompliceret at modellere. "Optik er et af de områder, hvor vi har en god forståelse af lineære effekter, men det, der er mere interessant, er ofte ikke-lineære svar. Det er svært at håndtere, men ekstremt nyttigt, " siger kandidatstuderende Jon Stensberg.

Stensberg og kandidatstuderende Xingyue Han arbejder på terahertz-signaler, sub-millimeter bølger, der ikke er synlige for det blotte øje. Han, som lavede sin bachelorafhandling med Wu og hjalp med at bygge to brugerdefinerede terahertz-opsætninger, bruger magnetiske topologiske materialer til at studere interaktioner mellem stof og lys. Dette arbejde kan i sidste ende føre til mere effektive terahertz-emittere og hukommelsesenheder, der kunne udføre 1, 000 gange hurtigere end eksisterende platforme.

Stensberg ser på samspillet mellem topologiske isolatorer og superledere for at hjælpe med at lave mere stabile kvantecomputere. Nuværende lagringsenheder til kvanteinformation er meget skrøbelige, så det er nemt for data at gå tabt eller forvrænget. Gennem sin grundforskning, Stensberg håber at finde et materiale, der kan lagre kvantetilstande i topologiske faser for mere langsigtet stabilitet.

Endnu en kandidatstuderende, Zhuoliang Ni, har bygget tre forskellige ikke-lineære optiske opsætninger og udforsker de grundlæggende egenskaber ved topologiske materialer, der effektivt kan konvertere lys til elektrisk strøm. Et mål er at finde optiske elektroniske materialer, der kan tændes og slukkes hurtigere, hvilket ville gøre dem mere energieffektive. Det foreløbige arbejde har fundet nogle mulige kandidater, og Wu og Ni arbejder nu sammen med teoretikere om at udvikle nye modeller for at forstå de data, de indsamler.

Joe Qiu, en programleder på Army Research Office, som finansierer Wus arbejde, siger, at denne forskning har potentialet til at skabe enheder, der kan hjælpe folk til bedre at fornemme deres miljø, hvilket kunne være særligt nyttigt for soldaters situationsbevidsthed.

"Forståelse af de grundlæggende egenskaber ved magnetiske Weyl-halvmetaller og flerfoldede Fermions-halvmetaller vil lægge et grundlag for nye teknologiske paradigmer for applikationer, herunder spintroniske hukommelsesenheder til informationsbehandling, energieffektiv elektronik, og terahertz kilder, " siger Qiu.

Meget af gruppens tid går med at tilpasse og køre optiske eksperimenter, arbejde, som Wu siger kræver meget tid og tålmodighed "Det er et stort spring, " siger han om at gå fra at forstå en teori til at opsætte og køre eksperimenter. "I begyndelsen går det langsomt; det tager tid."

Wus elever siger, at på trods af udfordringerne i arbejdet, opsætning og afvikling af eksperimenter er en god læringsmulighed. "Jeg lærte meget mere af processen, " siger Han. "F.eks. i klassen kan jeg sige, anvende et magnetfelt og observere en partikel, men her skal du først anvende et magnetfelt, og det er altid meget kompliceret."

Wu startede sin akademiske karriere som en miljøingeniør, der var ivrig efter at løse problemer. Ønsker at dykke dybere ned i grundlæggende videnskab, han ændrede sit studie til fysik, så han kunne bruge matematik til at løse problemer. "Fysik er noget, hvor jeg kan bruge matematik meget, noget, der i visse tilfælde kan føre til ansøgninger, " han siger.

Stensbergs forskning i samspillet mellem topologiske isolatorer og superledere er motiveret af kvanteberegningsapplikationer. Han fortæller, at muligheden for at arbejde med udfordrende optikeksperimenter er utrolig givende. "Vi er nødt til at forstå, hvordan det hele fungerer, og hvordan det hele hænger sammen, " siger han om de optiske tabeller, de arbejder med i laboratoriet.

Hans kandidatstuderende deler lignende passioner for fysik og blev tiltrukket af laboratoriet på grund af værkets forbindelse mellem teori og eksperiment. Stensberg mødte Wu, da laboratoriet var fyldt med tomme skabe og tilføjer, at afdelingens positive stemning tiltrak ham til Penn. "Folk her virkede meget oprigtigt glade, " siger han. "De kan lide at arbejde med folk her, de kan lide byen, og arbejdet var virkelig interessant."

Wu blev for nylig tildelt 2019 William McMillan Award for sine bidrag til fysik af kondenseret stof. Et par år efter at topologiske isolatorer først blev teoretiseret, Wu begyndte at se på deres elektrodynamik. Med lidt held og en stor indsats, han var i stand til at identificere topologiske materialer kaldet Weyl-halvmetaller, et materiale med stor optisk ikke-linearitet, hvor fotostrøm kunne genereres meget effektivt. Hans "for gode til at være sande" resultater viste sig at være utrolig frugtbare.

I de næste par år, Wu håber at se gruppen holde sit fokus på grundlæggende topologisk materialeforskning, selvom han indrømmer, at det er svært at vide, hvad fremtiden bringer for et så ungt felt. "Da jeg startede på efterskole, min kandidatrådgiver fortalte mig, at dette er et nyt felt, der er masser af muligheder, men det kan også dø om to år. På det tidspunkt vidste jeg ikke meget om eksperimenter, så jeg blev bare ved med at arbejde, og jeg var heldig at dette felt virkelig eksploderede, " siger Wu.

Inde i laboratoriet, deres forskning er i sandhed eksplosiv, på en spændende, men ufarlig måde, understreger hans elever. Udstyret med adskillige lasere, linser, magneter, og måleudstyr, deres kælderlaboratorium er, helt bogstaveligt, summende.

"Min forskning er mere grundlæggende, men jeg håber virkelig, at de en dag kan være nyttige til applikationer, " siger han. "Vi bygger og lærer, og jeg synes, at den mest spændende del af at lave eksperimenter er at opdage noget nyt."