Talento

Descobrindo os segredos de um ramo emergente da física
Em um novo reino de materiais, o estudante de PhD Thanh Nguyen usa nêutrons para caçar propriedades exóticas que poderiam alimentar aplicações do mundo real.
Por Leda Zimmerman - 20/11/2020


“Meu objetivo é criar materiais topológicos estruturados artificiais programáveis, que podem ser aplicados diretamente como um computador quântico”, diz Thanh Nguyen. Créditos:Foto: Gretchen Ertl

Thanh Nguyen tem o hábito de quebrar barreiras. Pegue as línguas, por exemplo: Nguyen, um candidato ao doutorado do terceiro ano em ciência nuclear e engenharia (NSE), queria "se conectar com outras pessoas e culturas" para seu trabalho e vida social, diz ele, então aprendeu vietnamita, francês, Alemão e russo, e agora está fazendo um curso de mandarim no MIT. Mas esse impulso para superar os obstáculos realmente vem à tona em sua pesquisa, onde Nguyen está tentando desvendar os segredos de um ramo novo e florescente da física.

“Minha dissertação enfoca o espalhamento de nêutrons em semimetais topológicos, que só foram descobertos experimentalmente em 2015”, diz ele. “Eles têm propriedades muito especiais, mas por serem tão novos, há muito que é desconhecido e os nêutrons oferecem uma perspectiva única para sondar suas propriedades em um novo nível de clareza.”

Os materiais topológicos não se encaixam perfeitamente nas categorias convencionais de substâncias encontradas na vida cotidiana. Eles foram materializados pela primeira vez na década de 1980, mas só se tornaram práticos em meados dos anos 2000 com o aprofundamento do conhecimento da topologia, que se preocupa com objetos geométricos cujas propriedades permanecem as mesmas mesmo quando os objetos sofrem deformação extrema. Os pesquisadores descobriram experimentalmente materiais topológicos ainda mais recentemente, usando as ferramentas da física quântica.

Dentro deste domínio, semimetais topológicos, que compartilham qualidades de metais e semicondutores, são de interesse especial para Nguyen. “Eles oferecem altos níveis de condutividade térmica e elétrica e robustez inerente, o que os torna muito promissores para aplicações em microeletrônica, conversões de energia e computação quântica”, diz ele.

Intrigado com as possibilidades que podem surgir de tal "física não convencional", Nguyen está perseguindo duas áreas de pesquisa relacionadas, mas distintas: "Por um lado, estou tentando identificar e, em seguida, sintetizar novos e robustos semimetais topológicos, e por outro , Quero detectar novas físicas fundamentais com nêutrons e projetar novos dispositivos ”.

Em uma trilha de pesquisa rápida

Alcançar essas metas nos próximos anos pode parecer uma tarefa difícil. Mas, no MIT, Nguyen aproveitou todas as oportunidades para dominar as técnicas especializadas necessárias para conduzir experimentos em larga escala com materiais topológicos e obter resultados. Guiado por seu orientador,  Mingda Li , o professor assistente de Norman C Rasmussen e diretor do  Quantum Matter Group dentro da NSE, Nguyen foi capaz de mergulhar em pesquisas significativas antes mesmo de colocar os pés no campus.

“No verão, antes de me juntar ao grupo, Mingda me enviou em uma viagem ao Laboratório Nacional de Argonne para um experimento muito divertido que usava espalhamento de raios-X síncrotron para caracterizar materiais topológicos”, lembra Nguyen. “Aprender as técnicas me deixou fascinado na área e comecei a ver meu futuro.”

Durante seus primeiros dois anos de pós-graduação, ele participou de quatro estudos, atuando como autor principal em três artigos de periódicos. Em um projeto notável,  descrito no início deste ano na Physical Review Letters , Nguyen e outros pesquisadores do Quantum Matter Group demonstraram, por meio de experimentos conduzidos em três laboratórios nacionais, fenômenos inesperados envolvendo a forma como os elétrons se movem através de um semimetal topológico, o fosfeto de tântalo (TaP).

“Esses materiais inerentemente resistem a perturbações, como calor e distúrbios, e podem conduzir eletricidade com um nível de robustez”, diz Nguyen. “Com propriedades robustas como essa, certos materiais podem condutividade elétrica melhor do que os melhores metais e, em algumas circunstâncias, supercondutores - o que é uma melhoria em relação aos materiais de geração atual.”

Essa descoberta abre a porta para a computação quântica topológica. Os sistemas de computação quântica atuais, onde as unidades elementares de cálculo são qubits que realizam cálculos super-rápidos, requerem materiais supercondutores que funcionam apenas em condições extremamente frias. Flutuações no calor podem desequilibrar um desses sistemas.

“As propriedades inerentes a materiais como TaP podem formar a base de qubits futuros”, diz Nguyen. Ele prevê sintetizar TaP e outros semimetais topológicos - um processo que envolve o cultivo delicado dessas estruturas cristalinas - e então caracterizar suas propriedades estruturais e excitacionais com a ajuda da tecnologia de feixe de nêutrons e raios-X, que sondam esses materiais em nível atômico. Isso permitiria a ele identificar e implantar os materiais certos para aplicações específicas.

“Meu objetivo é criar materiais topológicos estruturados artificiais programáveis, que podem ser aplicados diretamente como um computador quântico”, diz Nguyen. “Com um gerenciamento de calor infinitamente melhor, esses sistemas e dispositivos de computação quântica podem se provar incrivelmente eficientes em termos de energia”.

Física para o meio ambiente

A eficiência energética e seus benefícios há muito preocupam Nguyen. Natural de Montreal, Quebec, com aptidão para matemática e física e preocupação com as mudanças climáticas, ele dedicou o último ano do ensino médio aos estudos ambientais. “Trabalhei em uma iniciativa de Montreal para reduzir as ilhas de calor na cidade criando mais parques urbanos”, diz ele. “A mudança climática era importante para mim e eu queria causar um impacto.”

Na Universidade McGill, ele se formou em física. “Fiquei fascinado com os problemas da área, mas também senti que poderia eventualmente aplicar o que aprendi para cumprir meus objetivos de proteger o meio ambiente”, diz ele.

Em ambas as aulas e pesquisas, Nguyen mergulhou em diferentes domínios da física. Ele trabalhou por dois anos em um laboratório de física de alta energia fabricando detectores para neutrinos, parte de uma colaboração muito maior para verificar o Modelo Padrão. No outono de seu último ano na McGill, o interesse de Nguyen gravitou em torno dos estudos de matéria condensada. “Gostei muito da interação entre a física e a química nesta área e gostei especialmente de explorar as questões da supercondutividade, que parecia ter muitas aplicações importantes”, diz ele. Naquela primavera, procurando adicionar habilidades úteis ao seu repertório de pesquisa, ele trabalhou no Chalk River Laboratories de Ontário, onde aprendeu a caracterizar materiais usando espectroscópios de nêutrons e outras ferramentas.

Essas experiências acadêmicas e práticas serviram para impulsionar Nguyen em direção ao seu atual curso de pós-graduação. “Mingda Li propôs um plano de pesquisa interessante e, embora eu não soubesse muito sobre materiais topológicos, sabia que tinham sido descobertos recentemente e estava animado para entrar no campo”, diz ele.

Homem com um plano

Nguyen mapeou os anos restantes de seu programa de doutorado, e eles serão exigentes. “Semimetais topológicos são difíceis de trabalhar”, diz ele. “Ainda não sabemos as condições ideais para sintetizá-los e precisamos fazer esses cristais, que são micrômetros em escala, em quantidades grandes o suficiente para permitir testes.” 

Com os materiais certos em mãos, ele espera desenvolver “uma estrutura qubit que não seja tão vulnerável a perturbações, avançando rapidamente no campo da computação quântica para que cálculos que agora levam anos possam exigir apenas minutos ou segundos”, diz ele. “Velocidades computacionais muito mais altas podem ter impactos enormes sobre problemas como clima, saúde ou finanças, que têm ramificações importantes para a sociedade”. Se sua pesquisa sobre materiais topológicos “beneficiar o planeta ou melhorar a forma como as pessoas vivem”, diz Nguyen, “eu ficaria totalmente feliz”.

 

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