Même les idées scientifiques les plus brillantes ont besoin de données. Rien que cette année, la toute première image d'un trou noir a finalement fourni les preuves nécessaires pour étayer les théories centenaires d'Einstein.

Les matériaux quantiques ne sont pas étrangers à ce besoin. La théorie primée du Breakthrough Prize proposée par Penn's Charles Kane et Eugene Mele sur les isolants topologiques, des matériaux isolants à l'intérieur et conducteurs en surface, est devenu le fondement d'un domaine de recherche en physique qui espère aider les ingénieurs à développer des dispositifs optoélectroniques ou des ordinateurs quantiques plus efficaces.

Liang Wu et son laboratoire génèrent des données pour aider à concrétiser ces idées et d'autres dans le domaine des matériaux quantiques. En tant que professeur assistant au département de physique et d'astronomie de l'école des arts et des sciences de Penn, Wu se concentre sur les expériences optiques qui peuvent aider les scientifiques, tant sur le plan théorique qu'expérimental, comprendre cette classe de matériaux tout en, à l'occasion, faire de nouvelles découvertes dans le processus.

Alors que Wu dit qu'une grande partie du travail en laboratoire est plus « routinière, " vérifier les prédictions faites par les théoriciens, mais qu'il y a des moments où une expérience trouve quelque chose d'inattendu qui n'a pas été prédit par une théorie. Dans les deux cas, il existe une collaboration considérable entre les deux types de groupes de chercheurs, entre les expériences en cours, donner du sens aux résultats, et planifier des expériences supplémentaires qui peuvent aider à confirmer de nouvelles hypothèses.

Le laboratoire Wu mène des expériences d'optique pour étudier les interactions de la lumière avec les matériaux quantiques. Le groupe étudie les effets dans le régime de réponse non linéaire, où la relation entre l'entrée et la sortie est plus compliquée à modéliser. "L'optique est l'un des domaines où l'on a une bonne compréhension des effets linéaires, mais ce qui est plus intéressant, ce sont souvent les réponses non linéaires. C'est difficile à gérer mais extrêmement utile, " dit l'étudiant diplômé Jon Stensberg.

Stensberg et l'étudiant diplômé Xingyue Han travaillent sur les signaux térahertz, ondes sub-millimétriques qui ne sont pas visibles à l'œil nu. Han, qui a fait sa thèse de premier cycle avec Wu et a aidé à construire deux configurations térahertz personnalisées, utilise des matériaux topologiques magnétiques pour étudier les interactions entre la matière et la lumière. Ce travail pourrait éventuellement conduire à des émetteurs térahertz et des dispositifs de mémoire plus efficaces qui pourraient effectuer 1, 000 fois plus rapide que les plateformes existantes.

Stensberg étudie les interactions entre les isolants topologiques et les supraconducteurs pour aider à fabriquer des dispositifs informatiques quantiques plus stables. Les dispositifs actuels de stockage d'informations quantiques sont très fragiles, il est donc facile de perdre ou de brouiller les données. A travers ses recherches fondamentales, Stensberg espère trouver un matériau capable de stocker des états quantiques dans des phases topologiques pour une stabilité à plus long terme.

Un autre étudiant diplômé, Zhuoliang Ni, a construit trois configurations optiques non linéaires différentes et explore les propriétés fondamentales des matériaux topologiques qui peuvent convertir efficacement la lumière en courant électrique. L'un des objectifs est de trouver des matériaux électroniques optiques qui peuvent être activés et désactivés plus rapidement, ce qui les rendrait plus économes en énergie. Les travaux préliminaires ont trouvé des prétendants possibles, et Wu et Ni travaillent maintenant avec des théoriciens pour développer de nouveaux modèles pour comprendre les données qu'ils collectent.

Joe Qiu, un gestionnaire de programme au bureau de recherche de l'armée qui finance le travail de Wu, dit que cette recherche a le potentiel de créer des appareils qui peuvent aider les gens à mieux percevoir leur environnement, ce qui pourrait être particulièrement utile pour la connaissance de la situation du soldat.

« La compréhension des propriétés fondamentales des semi-métaux magnétiques de Weyl et des semi-métaux de Fermions à plusieurs plis jettera les bases de nouveaux paradigmes technologiques pour des applications telles que les dispositifs de mémoire spintronique pour le traitement de l'information, électronique économe en énergie, et sources térahertz, " dit Qiu.

Une grande partie du temps du groupe est consacrée à l'alignement et à l'exécution d'expériences optiques, travail qui, selon Wu, demande beaucoup de temps et de patience « C'est un grand saut, " dit-il à propos du passage de la compréhension d'une théorie à la mise en place et à l'exécution d'expériences. " Au début, c'est lent; ça prend du temps."

Les étudiants de Wu disent que malgré les défis du travail, la mise en place et l'exécution d'expériences est une excellente opportunité d'apprentissage. "J'ai appris beaucoup plus du processus, " dit Han. "Par exemple, en classe je peux, dire, appliquer un champ magnétique et observer une particule, mais ici, vous devez d'abord appliquer un champ magnétique, et c'est toujours très compliqué."

Wu a commencé sa carrière universitaire en tant que major en génie de l'environnement, passionné par la résolution de problèmes. Voulant approfondir la science fondamentale, il a changé son étude en physique afin qu'il puisse utiliser les mathématiques pour résoudre des problèmes. "La physique est quelque chose où je peux beaucoup utiliser les mathématiques, quelque chose qui, dans certains cas, pourrait donner lieu à des demandes, " il dit.

Les recherches de Stensberg sur les interactions entre les isolants topologiques et les supraconducteurs sont motivées par les applications de l'informatique quantique. Il dit que l'opportunité de travailler sur des expériences d'optique difficiles est incroyablement gratifiante. "Nous devons comprendre comment tout cela fonctionne et comment tout cela s'assemble, " dit-il à propos des tables optiques avec lesquelles ils travaillent en laboratoire.

Ses étudiants diplômés partagent des passions similaires pour la physique et ont été attirés par le laboratoire en raison du lien entre le travail et la théorie. Stensberg a rencontré Wu lorsque le laboratoire était bordé d'armoires vides et ajoute que l'ambiance positive du département l'a attiré vers Penn. "Les gens ici semblaient vraiment heureux, " dit-il. " Ils aiment travailler avec les gens ici, ils aiment la ville, et le travail était vraiment intéressant."

Wu a récemment reçu le prix William McMillan 2019 pour ses contributions à la physique de la matière condensée. Quelques années après la première théorisation des isolants topologiques, Wu a commencé à examiner leur électrodynamique. Avec un peu de chance et beaucoup d'efforts, il a pu identifier des matériaux topologiques appelés semi-métaux de Weyl, un matériau avec une grande non-linéarité optique où le photo-courant pourrait être généré très efficacement. Ses résultats "trop ​​beaux pour être vrais" se sont avérés incroyablement fructueux.

Dans les prochaines années, Wu espère voir le groupe se concentrer sur la recherche fondamentale sur les matériaux topologiques, même s'il admet qu'il est difficile de savoir ce que l'avenir réserve à un domaine aussi jeune. "Quand j'ai commencé mes études supérieures, mon conseiller d'études supérieures m'a dit qu'il s'agissait d'un nouveau domaine, il y a beaucoup d'opportunités, mais il pourrait aussi mourir dans deux ans. A l'époque, je ne connaissais pas grand-chose aux expériences, alors j'ai continué à travailler, et j'ai eu de la chance que ce champ ait vraiment explosé, " dit Wu.

A l'intérieur du laboratoire, leur recherche est en effet explosive, d'une manière excitante mais non dangereuse, soulignent ses élèves. Equipé de nombreux lasers, lentilles, aimants, et appareils de mesure, leur laboratoire au sous-sol est, littéralement, bourdonnement.

« Ma recherche est plus fondamentale, mais j'espère vraiment qu'un jour ils pourront être utiles pour des applications, " dit-il. " Nous construisons et apprenons, et je pense que la partie la plus excitante de faire des expériences est de découvrir quelque chose de nouveau."