Även de mest briljanta vetenskapliga idéerna behöver data. Bara i år, den första bilden någonsin av ett svart hål gav äntligen de bevis som behövdes för att stödja Einsteins 100 år gamla teorier.

Kvantmaterial är inte främmande för detta behov. Den genombrottsprisbelönta teorin som föreslagits av Penns Charles Kane och Eugene Mele om topologiska isolatorer, material som fungerar som isolatorer på insidan och ledare på ytan, blev grunden för ett område av fysikforskning som hoppas kunna hjälpa ingenjörer att utveckla effektivare optoelektroniska enheter eller kvantdatorer.

Liang Wu och hans labb genererar data för att förverkliga dessa och andra idéer inom området kvantmaterial. Som biträdande professor vid avdelningen för fysik och astronomi vid School of Arts and Sciences i Penn, Wu är fokuserad på optiska experiment som kan hjälpa forskare, både på teori- och experimentsidan, förstå denna klass av material samtidigt som vid tillfälle, gör nya upptäckter i processen.

Medan Wu säger att mycket av arbetet i labbet är mer "rutinmässigt, " verifiera förutsägelser gjorda av teoretiker, men att det finns tillfällen då ett experiment hittar något oväntat som inte förutspåddes av en teori. I båda fallen, det finns ett betydande samarbete mellan båda typerna av forskargrupper, mellan pågående experiment, göra meningsfulla resultat, och planera ytterligare experiment som kan hjälpa till att bekräfta nya hypoteser.

Wu-labbet genomför optikexperiment för att studera hur ljus interagerar med kvantmaterial. Gruppen studerar effekter i den olinjära responsregimen, där förhållandet mellan input och output är mer komplicerat att modellera. "Optik är ett av de områden där vi har en god förståelse för linjära effekter, men det som är mer intressant är ofta olinjära svar. Det är svårt att hantera men extremt användbart, säger doktoranden Jon Stensberg.

Stensberg och doktoranden Xingyue Han arbetar med terahertz-signaler, submillimetervågor som inte är synliga för blotta ögat. Han, som gjorde sitt examensarbete med Wu och hjälpte till att bygga två anpassade terahertz-uppställningar, använder magnetiska topologiska material för att studera interaktioner mellan materia och ljus. Detta arbete kan så småningom leda till mer effektiva terahertz-sändare och minnesenheter som kan utföra 1, 000 gånger snabbare än befintliga plattformar.

Stensberg tittar på växelverkan mellan topologiska isolatorer och supraledare för att hjälpa till att göra mer stabila kvantberäkningsenheter. Nuvarande lagringsenheter för kvantinformation är mycket ömtåliga, så det är lätt att data försvinner eller förvrängs. Genom sin grundforskning, Stensberg hoppas hitta ett material som kan lagra kvanttillstånd i topologiska faser för mer långsiktig stabilitet.

En annan doktorand, Zhuoliang Ni, har byggt tre olika olinjära optiska inställningar och utforskar de grundläggande egenskaperna hos topologiska material som effektivt kan omvandla ljus till elektrisk ström. Ett mål är att hitta optiskt elektroniskt material som kan slås på och av snabbare, vilket skulle göra dem mer energieffektiva. Det preliminära arbetet har hittat några möjliga utmanare, och Wu och Ni arbetar nu med teoretiker för att utveckla nya modeller för att förstå den data de samlar in.

Joe Qiu, en programledare på Army Research Office som finansierar Wus arbete, säger att denna forskning har potential att skapa enheter som kan hjälpa människor att bättre känna av sin miljö, vilket kan vara särskilt användbart för soldatens situationsmedvetenhet.

"Att förstå de grundläggande egenskaperna hos magnetiska Weyl-halvmetaller och flerfaldiga Fermions-halvmetaller kommer att lägga en grund för nya tekniska paradigm för applikationer inklusive spintroniska minnesenheter för informationsbehandling, energieffektiv elektronik, och terahertz-källor, " säger Qiu.

Mycket av gruppens tid går åt till att anpassa och köra optiska experiment, arbete som Wu säger kräver mycket tid och tålamod "Det är ett stort hopp, " säger han om att gå från att förstå en teori till att sätta upp och köra experiment. "I början går det långsamt; det tar tid."

Wus elever säger att trots utmaningarna i arbetet, att sätta upp och köra experiment är en fantastisk möjlighet att lära sig. "Jag lärde mig mycket mer av processen, säger Han. Till exempel, i klassen kan jag, säga, applicera ett magnetfält och observera en partikel, men här måste du först applicera ett magnetfält, och det är alltid väldigt komplicerat."

Wu började sin akademiska karriär som miljöingenjör som var angelägen om att lösa problem. Att vilja dyka djupare in i grundläggande vetenskap, han ändrade sin studie till fysik så att han kunde använda matematik för att lösa problem. "Fysik är något där jag kan använda matematik mycket, något som i vissa fall kan leda till ansökningar, " han säger.

Stensbergs forskning om interaktioner mellan topologiska isolatorer och supraledare är motiverad av kvantberäkningstillämpningar. Han säger att möjligheten att arbeta med utmanande optikexperiment är otroligt givande. "Vi måste förstå hur allt fungerar och hur allt hänger ihop, " säger han om de optiska tabellerna de arbetar med i labbet.

Hans doktorander delar liknande passioner för fysik och lockades till labbet på grund av arbetets koppling mellan teori och experiment. Stensberg träffade Wu när labbet kantades av tomma skåp och tillägger att den positiva atmosfären på avdelningen lockade honom till Penn. "Människorna här verkade väldigt genuint glada, " säger han. "De gillar att arbeta med människorna här, de gillar staden, och arbetet var verkligen intressant."

Wu tilldelades nyligen 2019 års William McMillan Award för sina bidrag till den kondenserade materiens fysik. Några år efter att topologiska isolatorer först teoretiserades, Wu började titta på deras elektrodynamik. Med lite tur och mycket ansträngning, han kunde identifiera topologiska material som kallas Weyl-halvmetaller, ett material med stor optisk icke-linjäritet där fotoström kunde genereras mycket effektivt. Hans "för bra för att vara sant"-resultat visade sig vara otroligt givande.

Under de närmaste åren, Wu hoppas få se gruppen behålla sitt fokus på grundläggande topologisk materialforskning, även om han medger att det är svårt att veta hur framtiden ser ut för ett så ungt område. "När jag började forskarskolan, min doktorandrådgivare sa till mig att detta är ett nytt område, det finns många möjligheter, men det kan också dö om två år. Vid den tiden visste jag inte mycket om experiment, så jag fortsatte bara jobba, och jag hade turen att det här fältet verkligen exploderade, säger Wu.

Inne i labbet, deras forskning är verkligen explosiv, på ett spännande men ofarligt sätt, framhåller hans elever. Utrustad med många lasrar, linser, magneter, och mätanordningar, deras källarlabb är, ganska bokstavligt, surrande.

"Min forskning är mer grundläggande, men jag hoppas verkligen att de en dag kan vara användbara för applikationer, " säger han. "Vi bygger och lär oss, och jag tror att den mest spännande delen av att göra experiment är att upptäcka något nytt."