Ciencia cuántica para estudiantes de secundaria

Matthew Yeh y Jennifer Wang recuerdan lo cambiados que se sintieron cuando tuvieron su primer contacto con la investigación científica de alto nivel. Sí, un doctorado en física aplicada. candidato en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard, y Wang, un Ph.D. en ingeniería eléctrica e informática. Estudiante del MIT, no consideró obtener títulos científicos avanzados hasta que participó en actividades de enriquecimiento en la escuela secundaria.

"Realmente me dio una enorme sensación de creatividad y agencia a la que no había estado expuesto antes", dijo Wang. “Tuve que leer artículos académicos por primera vez y sintetizar mucha información. Todo era confuso y nadie sabía cuál era la respuesta, y eso fue muy emocionante”.

Estudiantes de Bellaire High School en Texas experimentan sumergiendo LED en nitrógeno líquido durante el programa de divulgación "Quantum Engineering Research and You". (Daniel Marcos)

El dúo ahora se encuentra tratando de ser los mentores que puedan inspirar a la próxima generación de investigadores en ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM). Comenzaron el programa de extensión “Quantum Engineering Research and You (QuERY)” para el semestre de primavera de 2022 y lo repitieron nuevamente la primavera pasada, conectando a estudiantes de secundaria del alma mater de Wang en Houston, Bellaire High School, con estudiantes de posgrado y posdoctorados actuales en MARES y MIT. Profesor de Física y Ph.D. de la Universidad de Houston. El candidato James Newland coordinó a los estudiantes de Bellaire. El proyecto está parcialmente financiado por la Iniciativa Cuántica de Harvard, codirigida por Evelyn Hu, profesora Tarr-Coyne de Física Aplicada e Ingeniería Eléctrica en SEAS, y cuyo comité ejecutivo incluye nueve profesores de SEAS. La financiación adicional proviene del programa interdisciplinario de ingeniería y ciencia de la información cuántica del Centro de Ingeniería Cuántica del MIT.

"Es difícil decir que estás interesado en algo si no estás expuesto a ello", dijo Yeh. “Parte de nuestra filosofía es utilizar la tecnología cuántica como vehículo para que la gente se interese en STEM. Pero otro aspecto es la relación mentor-aprendiz. Queremos que nuestros estudiantes de posgrado y posdoctorados estén disponibles como un recurso si nuestros estudiantes de secundaria tienen preguntas”.

El programa utiliza un formato híbrido en el que los estudiantes se reúnen en persona y luego trabajan con sus mentores graduados a través de Zoom. Estudian seis módulos diferentes relacionados con la ciencia cuántica, pero cada módulo está diseñado para replantear el material en algo directamente relacionado con su vida cotidiana.

Hoy en día la gente habla de cuántica como si fuera una tecnología mágica del futuro. ¡Pero la tecnología cuántica ya se utiliza a nuestro alrededor! Su computadora está llena de transistores que utilizan la mecánica cuántica.

Con el tiempo, los estudiantes forman grupos pequeños e idean sus propios experimentos que utilizan el material que han estudiado y luego los presentan en una sesión de carteles de fin de semestre en Bellaire. Una vez que los estudiantes han elegido sus proyectos, Wang y Yeh los ponen en contacto con mentores especializados en campos similares.

"Si están interesados ​​en la codificación, los pondremos con mentores que utilicen muchas técnicas de simulación", dijo Wang. "Esta es la creatividad y la agencia que realmente quiero ver: tomar las habilidades que tienes, sintetizarlas con lo que has aprendido en el programa y luego elaborar un proyecto guiado, pero no impulsado, por el mentor graduado".

Dar a los estudiantes control sobre su propia investigación científica ha dado lugar a una amplia gama de proyectos finales relacionados con la cuántica. Los estudiantes de la banda de la escuela utilizaron un paquete de software de código abierto para generar números aleatorios simulando un circuito cuántico y luego hicieron música con los resultados. Otro grupo aprendió a codificar para poder simular un modelo de magnetismo. Otro grupo experimentó sumergiendo luces LED en nitrógeno líquido, cambiando el color de la luz emitida a medida que el frío extremo cambiaba la estructura de la red cristalina de las luces.

"Descubrimos que había una cantidad notable de cosas que podían hacer", dijo Yeh. “En el primer año, los estudiantes hacían simulaciones o pequeñas revisiones de literatura. Pero regresaron la primavera pasada y quisieron hacer algo con sus manos. Querían mostrar algo para cuando los mentores llegaran desde Cambridge”.

QuERY está diseñado para estudiantes de tercer y cuarto año, pero también acepta estudiantes de primer año. El programa tuvo 25 estudiantes en su primer año y luego creció a 38 la primavera pasada. Los estudiantes con identidades y experiencias de género históricamente subrepresentadas constituían la mitad del grupo, muy lejos de los promedios nacionales entre los estudiantes que estudian concentraciones STEM.

"Realmente estamos ayudando a igualar la diversidad de género en este espacio al brindarles a los estudiantes subrepresentados un lugar cómodo para explorar un tema nuevo", dijo Wang. "Su maestro dice que cree que esto cambiará la trayectoria de estos estudiantes". Esto para un nuevo grupo de estudiantes y creo que es algo emocionante”.

Jennifer Wang, Ph.D. en ingeniería eléctrica e informática. estudiante en el MIT

Matthew Yeh, Ph.D. en física aplicada. candidato en SEAS

Cuatro de los otros seis mentores de QuERY son de SEAS: la investigadora de posgrado Katie Barajas, el investigador posdoctoral David Barton y el doctorado en física aplicada. los candidatos Scarlett Seejia Yu y Michael Haas.

"Como mentor, estuve allí para ayudar a los estudiantes a comprender el material enseñado en las conferencias y completar su proyecto relacionado con la ingeniería cuántica", dijo Barajas. “El corazón de este programa es lograr que los estudiantes comiencen a pensar como científicos. Al aprender de los investigadores en el campo y conocer su trayectoria profesional, los estudiantes pueden comenzar a verse a sí mismos como científicos”.

Otros mentores incluyen a Caolan John y Daniel Mark, ambos Ph.D. estudiantes de física del MIT.

“Con una rapidez sorprendente, vimos que los estudiantes se mantenían en contacto con nuestros mentores”, dijo Yeh. “Justo en junio, uno de nuestros mentores me dijo que uno de sus estudiantes estaba en la ciudad y se acercó para hacer un recorrido por el laboratorio”.

Con dos programas exitosos ya completados, Wang y Yeh planean ejecutar QuERY nuevamente en 2024.

"Al escuchar los comentarios de nuestros estudiantes, el tema general fue que, en comparación con actividades de enriquecimiento científico anteriores, nuestro programa se sintió más personal debido a la tutoría y la relación con la materia", dijo Yeh. "Estamos emocionados de llevar esto a un nuevo grupo de estudiantes y creo que es algo emocionante".

Temas:Física Aplicada, K-12, Ingeniería Cuántica

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