Wetenschap
De doelen van het laboratorium van Liang Wu zijn om de fysica van kwantummaterialen beter te begrijpen. Hun fundamentele onderzoek op het gebied van optica kan helpen bij het creëren van de volgende generatie van alles, van kwantumcomputers tot zonnecellen. Krediet:Universiteit van Pennsylvania
Zelfs de meest briljante wetenschappelijke ideeën hebben gegevens nodig. Alleen dit jaar, de allereerste afbeelding van een zwart gat leverde eindelijk het bewijs dat nodig was om de 100 jaar oude theorieën van Einstein te ondersteunen.
Kwantummaterialen zijn geen onbekende in deze behoefte. De Breakthrough Prize-winnende theorie voorgesteld door Penn's Charles Kane en Eugene Mele over topologische isolatoren, materialen die aan de binnenkant als isolatoren en aan de oppervlakte als geleiders fungeren, werd de basis voor een veld van natuurkundig onderzoek dat ingenieurs hoopt te helpen efficiëntere opto-elektronische apparaten of kwantumcomputers te ontwikkelen.
Liang Wu en zijn lab genereren data om deze en andere ideeën op het gebied van kwantummaterialen tot leven te brengen. Als assistent-professor aan de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde van de School of Arts and Scienes in Penn, Wu richt zich op optische experimenten die wetenschappers kunnen helpen, zowel aan de theoretische als aan de experimentele kant, begrijp deze klasse van materialen terwijl, soms, tijdens het proces nieuwe ontdekkingen doen.
Terwijl Wu zegt dat veel van het werk in het lab meer "routinematig, " het verifiëren van voorspellingen van theoretici, maar dat er momenten zijn waarop een experiment iets onverwachts vindt dat niet door een theorie was voorspeld. In beide gevallen, er is een grote samenwerking tussen beide typen onderzoeksgroepen, tussen het uitvoeren van experimenten, resultaten te begrijpen, en het plannen van aanvullende experimenten die kunnen helpen nieuwe hypothesen te bevestigen.
Het Wu-lab voert optische experimenten uit om de manieren te bestuderen waarop licht interageert met kwantummaterialen. De groep bestudeert effecten in het niet-lineaire responsregime, waar de relatie tussen input en output moeilijker te modelleren is. "Optica is een van de gebieden waar we een goed begrip hebben van lineaire effecten, maar wat interessanter is, zijn vaak niet-lineaire reacties. Het is moeilijk om mee om te gaan, maar uiterst nuttig, ", zegt afgestudeerde student Jon Stensberg.
Stensberg en promovendus Xingyue Han werken aan terahertz-signalen, golven van minder dan een millimeter die met het blote oog niet zichtbaar zijn. Han, die haar afstudeerscriptie bij Wu deed en hielp bij het bouwen van twee aangepaste terahertz-opstellingen, gebruikt magnetische topologische materialen om interacties tussen materie en licht te bestuderen. Dit werk zou uiteindelijk kunnen leiden tot efficiëntere terahertz-zenders en geheugenapparaten die 1, 000 keer sneller dan bestaande platforms.
Stensberg kijkt naar de interacties tussen topologische isolatoren en supergeleiders om stabielere kwantumcomputers te helpen maken. De huidige opslagapparaten voor kwantuminformatie zijn erg kwetsbaar, dus het is gemakkelijk dat gegevens verloren gaan of vervormd raken. Door zijn fundamentele onderzoek Stensberg hoopt een materiaal te vinden dat kwantumtoestanden in topologische fasen kan opslaan voor meer stabiliteit op de lange termijn.
Een andere afgestudeerde student, Zhuoliang Ni, heeft drie verschillende niet-lineaire optische opstellingen gebouwd en onderzoekt de fundamentele eigenschappen van topologische materialen die licht efficiënt kunnen omzetten in elektrische stroom. Een doel is om optische elektronische materialen te vinden die sneller kunnen worden in- en uitgeschakeld, waardoor ze energiezuiniger zouden worden. Het voorbereidende werk heeft enkele mogelijke kanshebbers gevonden, en Wu en Ni werken nu samen met theoretici om nieuwe modellen te ontwikkelen om de gegevens die ze verzamelen te begrijpen.
Joe Qiu, een programmamanager bij het legeronderzoeksbureau dat Wu's werk financiert, zegt dat dit onderzoek het potentieel heeft om apparaten te maken die mensen kunnen helpen hun omgeving beter te voelen, die vooral nuttig zou kunnen zijn voor het situationeel bewustzijn van soldaten.
"Het begrijpen van de fundamentele eigenschappen van magnetische Weyl-halfmetalen en meervoudige Fermions-halfmetalen zal een basis leggen voor nieuwe technologische paradigma's voor toepassingen, waaronder spintronische geheugenapparaten voor informatieverwerking, energiezuinige elektronica, en terahertz bronnen, ' zegt Qi.
Een groot deel van de tijd van de groep wordt besteed aan het afstemmen en uitvoeren van optische experimenten, werk dat volgens Wu veel tijd en geduld vereist "Het is een grote sprong, Hij vertelt over de overgang van het begrijpen van een theorie naar het opzetten en uitvoeren van experimenten. "In het begin is het traag; het kost tijd."
Wu's studenten zeggen dat ondanks de uitdagingen van het werk, het opzetten en uitvoeren van experimenten is een geweldige leermogelijkheid. "Ik heb veel meer geleerd van het proces, " zegt Han. "Bijvoorbeeld in de klas kan ik, zeggen, een magnetisch veld aanleggen en een deeltje observeren, maar hier moet je eerst een magnetisch veld aanleggen, en dat is altijd heel ingewikkeld."
Wu begon zijn academische carrière als een major milieutechniek die graag problemen oplost. Die dieper in de fundamentele wetenschap willen duiken, hij veranderde zijn studie naar natuurkunde, zodat hij wiskunde kon gebruiken om problemen op te lossen. "Natuurkunde is iets waar ik wiskunde veel kan gebruiken, iets dat in bepaalde gevallen kan leiden tot toepassingen, " hij zegt.
Stensbergs onderzoek naar de interacties tussen topologische isolatoren en supergeleiders wordt gemotiveerd door kwantumcomputertoepassingen. Hij zegt dat de kans om te werken aan uitdagende optica-experimenten ongelooflijk lonend is. "We moeten begrijpen hoe het allemaal werkt en hoe het allemaal samenkomt, " zegt hij over de optische tafels waarmee ze in het lab werken.
Zijn afgestudeerde studenten delen dezelfde passies voor natuurkunde en werden aangetrokken tot het lab vanwege de connectie tussen theorie en experiment. Stensberg ontmoette Wu toen het lab vol stond met lege kasten en voegt eraan toe dat de positieve sfeer van de afdeling hem naar Penn trok. "De mensen hier leken heel oprecht gelukkig, "zegt hij. "Ze werken graag met de mensen hier, ze houden van de stad, en het werk was echt interessant."
Wu ontving onlangs de William McMillan Award 2019 voor zijn bijdragen aan de fysica van de gecondenseerde materie. Een paar jaar nadat topologische isolatoren voor het eerst werden getheoretiseerd, Wu begon naar hun elektrodynamica te kijken. Met een beetje geluk en veel moeite, hij was in staat om topologische materialen te identificeren die Weyl-halfmetalen worden genoemd, een materiaal met een grote optische niet-lineariteit waar fotostroom zeer efficiënt kan worden gegenereerd. Zijn "te mooi om waar te zijn" resultaten bleken ongelooflijk vruchtbaar.
In de komende jaren, Wu hoopt dat de groep zich blijft concentreren op fundamenteel topologisch materiaalonderzoek, al geeft hij toe dat het moeilijk is om te weten wat de toekomst in petto heeft voor zo'n jong veld. "Toen ik begon met afstuderen, mijn afstudeeradviseur vertelde me dat dit een nieuw veld is, er zijn veel mogelijkheden, maar het kan ook binnen twee jaar sterven. Ik wist toen nog niet veel van experimenten, dus ik bleef maar werken, en ik had het geluk dat dit veld echt explodeerde, ' zegt Wu.
Binnen in het laboratorium, hun onderzoek is inderdaad explosief, op een spannende maar ongevaarlijke manier, benadrukken zijn leerlingen. Uitgerust met talrijke lasers, lenzen, magneten, en meetapparatuur, hun kelderlab is, vrij letterlijk, zoemend.
"Mijn onderzoek is fundamenteler, maar ik hoop echt dat ze ooit nuttig kunnen zijn voor toepassingen, "zegt hij. "We bouwen en leren, en ik denk dat het meest opwindende deel van het doen van experimenten het ontdekken van iets nieuws is."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com