En un nuevo reino de materiales, el estudiante de doctorado Thanh Nguyen usa neutrones para buscar propiedades exóticas que podrían impulsar aplicaciones del mundo real.
Thanh Nguyen tiene la costumbre de derribar barreras. Tomemos los idiomas, por ejemplo: Nguyen, un candidato a doctorado de tercer año en ciencia e ingeniería nuclear (NSE), quería «conectarse con otras personas y culturas» para su trabajo y vida social, dice, por lo que aprendió vietnamita, francés, Alemán y ruso, y ahora está tomando un MIT curso de mandarín. Pero este impulso por superar obstáculos realmente se destaca en su investigación, donde Nguyen está tratando de descifrar los secretos de una nueva y floreciente rama de la física.
«Mi tesis se centra en la dispersión de neutrones en semimetales topológicos, que solo se descubrieron experimentalmente en 2015», dice. «Tienen propiedades muy especiales, pero debido a que son tan novedosos, hay muchas cosas que se desconocen y los neutrones ofrecen una perspectiva única para probar sus propiedades en un nuevo nivel de claridad».
Los materiales topológicos no encajan perfectamente en las categorías convencionales de sustancias que se encuentran en la vida cotidiana. Se materializaron por primera vez en la década de 1980, pero solo se volvieron prácticos a mediados de la década de 2000 con una comprensión más profunda de la topología, que se ocupa de los objetos geométricos cuyas propiedades siguen siendo las mismas incluso cuando los objetos sufren una deformación extrema. Los investigadores descubrieron experimentalmente materiales topológicos incluso más recientemente, utilizando las herramientas de la física cuántica.
Dentro de este dominio, los semimetales topológicos, que comparten cualidades tanto de metales como de semiconductores, son de especial interés para Nguyen. “Ofrecen altos niveles de conductividad térmica y eléctrica, y robustez inherente, lo que los hace muy prometedores para aplicaciones en microelectrónica, conversiones de energía y computación cuántica, «Él dice.
Intrigado por las posibilidades que podrían surgir de tal «física no convencional», Nguyen está persiguiendo dos áreas de investigación relacionadas pero distintas: «Por un lado, estoy tratando de identificar y luego sintetizar semimetales topológicos nuevos y robustos, y por el otro , Quiero detectar nuevas físicas fundamentales con neutrones y seguir diseñando nuevos dispositivos «.
«Mi objetivo es crear materiales topológicos estructurados artificiales programables, que puedan aplicarse directamente como una computadora cuántica», dice Thanh Nguyen. Crédito: Gretchen Ertl
Tenemos una vía de investigación rápida
Alcanzar estos objetivos en los próximos años puede parecer una tarea difícil. Pero en el MIT, Nguyen ha aprovechado todas las oportunidades para dominar las técnicas especializadas necesarias para realizar experimentos a gran escala con materiales topológicos y obtener resultados. Guiado por su asesor, Mingda Li, el profesor asistente Norman C Rasmussen y director del Quantum Matter Group dentro de NSE, Nguyen pudo sumergirse en una investigación significativa incluso antes de poner un pie en el campus.
“El verano, antes de unirme al grupo, Mingda me envió a un viaje al Laboratorio Nacional de Argonne para un experimento muy divertido que utilizó dispersión de rayos X de sincrotrón para caracterizar materiales topológicos”, recuerda Nguyen. «Aprender las técnicas me fascinó en el campo y comencé a ver mi futuro».
Durante sus primeros dos años de la escuela de posgrado, participó en cuatro estudios, sirviendo como autor principal en tres artículos de revistas. En un proyecto notable, descrito a principios de este año en Cartas de revisión física, Nguyen y sus colegas investigadores del Quantum Matter Group demostraron, a través de experimentos llevados a cabo en tres laboratorios nacionales, fenómenos inesperados relacionados con la forma en que los electrones se mueven a través de un semimetal topológico, el fosfuro de tantalio (TaP).
“Estos materiales resisten de manera inherente perturbaciones como el calor y los trastornos, y pueden conducir la electricidad con un nivel de robustez”, dice Nguyen. «Con propiedades robustas como esta, ciertos materiales pueden conducir la electricidad mejor que los mejores metales y, en algunas circunstancias, los superconductores, lo cual es una mejora con respecto a los materiales de generación actual».
Este descubrimiento abre la puerta a la computación cuántica topológica. Los sistemas de computación cuántica actuales, donde las unidades elementales de cálculo son qubits que realizan cálculos súper rápidos, requieren materiales superconductores que solo funcionan en condiciones extremadamente frías. Las fluctuaciones de calor pueden desequilibrar uno de estos sistemas.
“Las propiedades inherentes a materiales como TaP podrían formar la base de futuros qubits”, dice Nguyen. Él prevé sintetizar TaP y otros semimetales topológicos, un proceso que involucra el delicado cultivo de estas estructuras cristalinas, y luego caracterizar sus propiedades estructurales y excitantes con la ayuda de la tecnología de neutrones y rayos X, que sondean estos materiales a nivel atómico. Esto le permitiría identificar e implementar los materiales adecuados para aplicaciones específicas.
«Mi objetivo es crear materiales topológicos estructurados artificiales programables, que puedan aplicarse directamente como una computadora cuántica», dice Nguyen. «Con una gestión del calor infinitamente mejor, estos sistemas y dispositivos de computación cuántica podrían resultar increíblemente eficientes desde el punto de vista energético».
Física para el medio ambiente
La eficiencia energética y sus beneficios han preocupado a Nguyen desde hace mucho tiempo. Nacido en Montreal, Quebec, con aptitudes para las matemáticas y la física y una preocupación por el cambio climático, dedicó su último año de secundaria a los estudios ambientales. “Trabajé en una iniciativa de Montreal para reducir las islas de calor en la ciudad creando más parques urbanos”, dice. “El cambio climático me importaba y quería tener un impacto”.
En la Universidad McGill, se especializó en física. “Me fascinaron los problemas en el campo, pero también sentí que eventualmente podría aplicar lo que aprendí para cumplir con mis objetivos de proteger el medio ambiente”, dice.
Tanto en las clases como en la investigación, Nguyen se sumergió en diferentes dominios de la física. Trabajó durante dos años en un laboratorio de física de alta energía fabricando detectores de neutrinos, parte de una colaboración mucho mayor que busca verificar el Modelo Estándar. En el otoño de su último año en McGill, el interés de Nguyen gravitó hacia los estudios de materia condensada. “Realmente disfruté de la interacción entre la física y la química en esta área, y me gustó especialmente explorar cuestiones en superconductividad, que parecía tener muchas aplicaciones importantes”, dice. Esa primavera, buscando agregar habilidades útiles a su repertorio de investigación, trabajó en los Laboratorios Chalk River de Ontario, donde aprendió a caracterizar materiales usando espectroscopios de neutrones y otras herramientas.
Estas experiencias académicas y prácticas sirvieron para impulsar a Nguyen hacia su curso actual de estudios de posgrado. “Mingda Li propuso un plan de investigación interesante y, aunque no sabía mucho sobre materiales topológicos, sabía que habían sido descubiertos recientemente y estaba emocionado de ingresar al campo”, dice.
Hombre con un plan
Nguyen ha planificado los años restantes de su programa de doctorado y serán exigentes. “Es difícil trabajar con semimetales topológicos”, dice. «Aún no conocemos las condiciones óptimas para sintetizarlos, y necesitamos hacer estos cristales, que tienen una escala micrométrica, en cantidades lo suficientemente grandes como para permitir las pruebas».
Con los materiales adecuados en la mano, espera desarrollar “una estructura de qubit que no sea tan vulnerable a las perturbaciones, avanzando rápidamente en el campo de la computación cuántica para que los cálculos que ahora toman años puedan requerir solo minutos o segundos”, dice. “Velocidades computacionales mucho más altas podrían tener un impacto enorme en problemas como el clima, la salud o las finanzas que tienen ramificaciones importantes para la sociedad”. Si su investigación sobre materiales topológicos «beneficia al planeta o mejora la forma en que vive la gente», dice Nguyen, «sería totalmente feliz».