Thanh Nguyen tem o ha¡bito de quebrar barreiras. Pegue as la­nguas, 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, francaªs, Alema£o e russo, e agora estãofazendo um curso de mandarim no MIT. Mas esse impulso para superar os obsta¡culos realmente vem a  tona em sua pesquisa, onde Nguyen estãotentando desvendar os segredos de um ramo novo e florescente da física.

“Minha dissertação enfoca o espalhamento de naªutrons em semimetais topola³gicos, que são foram descobertos experimentalmente em 2015”, diz ele. “Eles tem propriedades muito especiais, mas por serem tão novos, hámuito que édesconhecido e os naªutrons oferecem uma perspectiva única para sondar suas propriedades em um novonívelde clareza.”

Os materiais topola³gicos não se encaixam perfeitamente nas categorias convencionais de substâncias encontradas na vida cotidiana. Eles foram materializados pela primeira vez na década de 1980, mas são se tornaram práticos em meados dos anos 2000 com o aprofundamento do conhecimento da topologia, que se preocupa com objetos geomanãtricos cujas propriedades permanecem as mesmas mesmo quando os objetos sofrem deformação extrema. Os pesquisadores descobriram experimentalmente materiais topola³gicos ainda mais recentemente, usando as ferramentas da física qua¢ntica.

Dentro deste doma­nio, semimetais topola³gicos, que compartilham qualidades de metais e semicondutores, são de interesse especial para Nguyen. “Eles oferecem altos na­veis de condutividade tanãrmica e elanãtrica e robustez inerente, o que os torna muito promissores para aplicações em microeletra´nica, conversaµes de energia e computação qua¢ntica”, diz ele.

Intrigado com as possibilidades que podem surgir de tal "fa­sica não convencional", Nguyen estãoperseguindo duas áreas de pesquisa relacionadas, mas distintas: "Por um lado, estou tentando identificar e, em seguida, sintetizar novos e robustos semimetais topola³gicos, e por outro , Quero detectar novas físicas fundamentais com naªutrons e projetar novos dispositivos ”.

Alcana§ar essas metas nos pra³ximos anos pode parecer uma tarefa difa­cil. Mas, no MIT, Nguyen aproveitou todas as oportunidades para dominar as técnicas especializadas necessa¡rias para conduzir experimentos em larga escala com materiais topola³gicos 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 panãs no campus.

“No vera£o, antes de me juntar ao grupo, Mingda me enviou em uma viagem ao Laborata³rio Nacional de Argonne para um experimento muito divertido que usava espalhamento de raios-X sa­ncrotron para caracterizar materiais topola³gicos”, 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 peria³dicos. Em um projeto nota¡vel,  descrito no ini­cio deste ano na Physical Review Letters , Nguyen e outros pesquisadores do Quantum Matter Group demonstraram, por meio de experimentos conduzidos em três laboratórios nacionais, fena´menos inesperados envolvendo a forma como os elanãtrons se movem atravanãs de um semimetal topola³gico, o fosfeto de ta¢ntalo (TaP).

“Esses materiais inerentemente resistem a perturbações, como calor e distúrbios, e podem conduzir eletricidade com umnívelde robustez”, diz Nguyen. “Com propriedades robustas como essa, certos materiais podem condutividade elanãtrica melhor do que os melhores metais e, em algumas circunsta¢ncias, supercondutores - o que éuma melhoria em relação aos materiais de geração atual.”

Essa descoberta abre a porta para a computação qua¢ntica topola³gica. Os sistemas de computação qua¢ntica atuais, onde as unidades elementares de ca¡lculo são qubits que realizam ca¡lculos super-ra¡pidos, 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 prevaª sintetizar TaP e outros semimetais topola³gicos - 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 naªutrons e raios-X, que sondam esses materiais emnívelata´mico. Isso permitiria a ele identificar e implantar os materiais certos para aplicações especa­ficas.

“Meu objetivo écriar materiais topola³gicos estruturados artificiais programa¡veis, que podem ser aplicados diretamente como um computador qua¢ntico”, diz Nguyen. “Com um gerenciamento de calor infinitamente melhor, esses sistemas e dispositivos de computação qua¢ntica podem se provar incrivelmente eficientes em termos de energia”.

A eficiência energanãtica e seus benefa­cios hámuito preocupam Nguyen. Natural de Montreal, Quebec, com aptida£o para matemática e física e preocupação com asmudanças climáticas, ele dedicou o último ano do ensino manãdio 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 doma­nios 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 Padra£o. 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 aºteis ao seu repertório de pesquisa, ele trabalhou no Chalk River Laboratories de Onta¡rio, onde aprendeu a caracterizar materiais usando espectrosca³pios de naªutrons e outras ferramentas.

Essas experiências acadaªmicas e prática s serviram para impulsionar Nguyen em direção ao seu atual curso de pós-graduação. “Mingda Li propa´s um plano de pesquisa interessante e, embora eu não soubesse muito sobre materiais topola³gicos, sabia que tinham sido descobertos recentemente e estava animado para entrar no campo”, diz ele.

Nguyen mapeou os anos restantes de seu programa de doutorado, e eles sera£o exigentes. “Semimetais topola³gicos são difa­ceis de trabalhar”, diz ele. “Ainda não sabemos as condições ideais para sintetiza¡-los e precisamos fazer esses cristais, que são micra´metros em escala, em quantidades grandes o suficiente para permitir testes.” 

Com os materiais certos em ma£os, ele espera desenvolver “uma estrutura qubit que não seja tão vulnera¡vel a perturbações, avaçando rapidamente no campo da computação qua¢ntica para que ca¡lculos 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 finana§as, que tem ramificações importantes para a sociedade”. Se sua pesquisa sobre materiais topola³gicos “beneficiar o planeta ou melhorar a forma como as pessoas vivem”, diz Nguyen, “eu ficaria totalmente feliz”.