Die Geheimnisse eines im Entstehen begriffenen Zweigs der Physik knacken: Exotische Eigenschaften für Anwendungen in der realen Welt.

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In einem neuen Bereich von Materialien verwendet der Doktorand Thanh Nguyen Neutronen, um nach exotischen Eigenschaften zu jagen, die in der realen Welt Anwendung finden könnten.

Thanh Nguyen hat die Angewohnheit, Barrieren zu überwinden. Nehmen Sie zum Beispiel Sprachen: Nguyen, ein Doktorand im dritten Jahr in Nuklearwissenschaft und -technik (NSE), wollte für seine Arbeit und sein gesellschaftliches Leben “mit anderen Menschen und Kulturen in Verbindung treten”, sagt er, und so lernte er Vietnamesisch, Französisch, Deutsch und Russisch und besucht jetzt einen MIT-Kurs in Mandarin. Aber dieser Drang, Hindernisse zu überwinden, kommt in seiner Forschung wirklich zum Tragen, wo Nguyen versucht, die Geheimnisse eines neuen und aufstrebenden Zweigs der Physik zu knacken.

“Meine Dissertation befasst sich mit der Neutronenstreuung an topologischen Halbmetallen, die erst 2015 experimentell entdeckt wurden”, sagt er. “Sie haben sehr spezielle Eigenschaften, aber weil sie so neu sind, gibt es vieles, was unbekannt ist, und Neutronen bieten eine einzigartige Perspektive, ihre Eigenschaften auf einer neuen Ebene der Klarheit zu erforschen.

Topologische Materialien passen nicht sauber in die herkömmlichen Kategorien von Substanzen, die man im täglichen Leben findet. Sie wurden erstmals in den 1980er Jahren materialisiert, kamen aber erst Mitte der 2000er Jahre mit einem vertieften Verständnis der Topologie zur Anwendung, die sich mit geometrischen Objekten befasst, deren Eigenschaften auch bei extremer Verformung der Objekte gleich bleiben. Noch in jüngerer Zeit entdeckten Forscher topologische Materialien experimentell mit den Mitteln der Quantenphysik.

Innerhalb dieser Domäne sind topologische Halbmetalle, die Eigenschaften von Metallen und Halbleitern gemeinsam haben, für Nguyen von besonderem Interesse. “Sie bieten ein hohes Maß an thermischer und elektrischer Leitfähigkeit und eine inhärente Robustheit, was sie für Anwendungen in der Mikroelektronik, Energieumwandlung und Quantencomputer sehr vielversprechend macht”, sagt er.

Fasziniert von den Möglichkeiten, die sich aus dieser “unkonventionellen Physik” ergeben könnten, verfolgt Nguyen zwei verwandte, aber unterschiedliche Forschungsgebiete: “Einerseits versuche ich, neue, robuste topologische Halbmetalle zu identifizieren und dann zu synthetisieren, und andererseits möchte ich mit Neutronen fundamentale neue Physik aufspüren und weiter neue Geräte entwerfen.

Auf einem schnellen Forschungspfad

Diese Ziele in den nächsten Jahren zu erreichen, mag als eine große Aufgabe erscheinen. Aber am MIT hat Nguyen jede Gelegenheit genutzt, um die spezialisierten Techniken zu beherrschen, die für die Durchführung groß angelegter Experimente mit topologischen Materialien und die Erzielung von Ergebnissen erforderlich sind. Unter der Leitung seiner Beraterin Mingda Li, der Assistenzprofessorin von Norman C. Rasmussen und Direktorin der Quantenmaterie-Gruppe innerhalb der NSE, konnte Nguyen in bedeutende Forschungsarbeiten eintauchen, noch bevor er den Campus betrat.

“Im Sommer, bevor ich der Gruppe beitrat, schickte Mingda mich auf eine Reise zum Argonne National Laboratory für ein sehr lustiges Experiment, bei dem die Synchrotron-Röntgenstreuung zur Charakterisierung topologischer Materialien eingesetzt wurde”, erinnert sich Nguyen. “Das Erlernen der Techniken faszinierte mich auf dem Gebiet, und ich begann, meine Zukunft zu sehen.

In den ersten zwei Jahren seiner Graduiertenschule nahm er an vier Studien teil und war Hauptautor von drei Zeitschriftenartikeln. In einem bemerkenswerten Projekt, das Anfang dieses Jahres in Physical Review Letters beschrieben wurde, zeigten Nguyen und andere Forscher der Gruppe Quantenmaterie anhand von Experimenten in drei nationalen Labors unerwartete Phänomene, bei denen es um die Art und Weise ging, wie sich Elektronen durch ein topologisches Halbmetall, Tantalphosphid (TaP), bewegen.

“Diese Materialien widerstehen von Natur aus Störungen wie Hitze und Störungen und können Elektrizität mit einer gewissen Robustheit leiten”, sagt Nguyen. “Mit solchen robusten Eigenschaften können bestimmte Materialien Elektrizität besser leiten als die besten Metalle und in einigen Fällen Supraleiter – was eine Verbesserung gegenüber den Materialien der Stromerzeugung darstellt”.

Diese Entdeckung öffnet die Tür zum topologischen Quantencomputing. Gegenwärtige Quantencomputersysteme, bei denen die elementaren Berechnungseinheiten Qubits sind, die superschnelle Berechnungen durchführen, benötigen supraleitende Materialien, die nur unter extrem kalten Bedingungen funktionieren. Wärmeschwankungen können eines dieser Systeme aus dem Gleichgewicht bringen.

“Die Eigenschaften, die Materialien wie TaP innewohnen, könnten die Grundlage für zukünftige Qubits bilden”, sagt Nguyen. Er stellt sich vor, TaP und andere topologische Halbmetalle zu synthetisieren – ein Prozess, bei dem diese kristallinen Strukturen delikat kultiviert werden – und dann ihre strukturellen und anregenden Eigenschaften mit Hilfe der Neutronen- und Röntgenstrahltechnologie zu charakterisieren, die diese Materialien auf atomarer Ebene sondiert. Dies würde es ihm ermöglichen, die richtigen Materialien für spezifische Anwendungen zu identifizieren und einzusetzen.

“Mein Ziel ist es, programmierbare künstlich strukturierte topologische Materialien zu schaffen, die direkt als Quantencomputer eingesetzt werden können”, sagt Nguyen. “Mit einem unendlich besseren Wärmemanagement könnten sich diese Quantencomputersysteme und -geräte als unglaublich energieeffizient erweisen”.

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