30 miljoner till forskning om kvantmaterial
Oscar Tjernbergs forskargrupp på KTH och Nordita har tilldelats 30 miljoner kronor för att studera nya temporära tillstånd i kvantmaterial. Syftet är att öka förståelsen av dessa material. Något som kan bana väg för nya framtida kvantteknologier som kvantdatorer, snabbare och effektivare informationsprocessning och effektivare energiomvandling.
Kvantmaterial har en mängd slående egenskaper som står i fokus för forskningen inom kondenserade materiens fysik idag. Exempel på detta är supraledning vid höga temperaturer, material som bara leder ström på ytan och material som kan växla mellan att vara en metall och en isolator. Men det saknas ännu en ordentlig förståelse av dessa egenskaper och sätt för hur man kan kontrollera dem.
I det här projektet ska Oscar Tjernberg , professor i materialfysik, och hans kollegor på KTH och NORDITA försöka åstadkomma ett genombrott när det gäller förståelsen av och skapa, utforska och styra nya temporära tillstånd i kvantmaterial. Gruppen kommer att utveckla experimentella tekniker och använda sig av nya metoder för teoretisk modellering.
Forskningen går ut på att försätta materialen i tillstånd som de inte är i normalt. Framför allt vill forskarna utveckla en teknik för att skapa tryckvågor i materialen.
– Vi komprimerar materialen väldigt hastigt för att tvinga in dem i nya tillstånd. Genom att skapa den här tryckvågen hoppas vi till exempel kunna få ett material att bli supraledande vid högre temperatur, att tvinga fram en metall-isolator övergång eller inducera nya och ännu okända tillfälliga tillstånd. Sedan följer vi vad som händer i materialet i de här processerna, ser hur de går från ett tillstånd till ett annat, säger Oscar Tjernberg.
I syfte att öka förståelsen för hur dessa kvantmaterial fungerar föreslår forskargruppen att kombinera två nya experimentella teknologier: Tidsupplöst fotoelektronspektroskopi och ultrasnabb elektronmikroskopi. I båda fallen följer man egenskaperna hos materialet på femtosekundsskala (10-15 s). Med den första tekniken följer man elektronernas beteende och i den andra följer man atomkärnornas beteende. Genom att först excitera materialet med en kort ljuspuls och sen undersöka materialet en bestämd tid senare så kan man stroboskopiskt följa dynamiken hos både elektroner och atomkärnor med dessa tekniker.
– Vi vill förstå de här exotiska egenskaperna hos materialen, varför det är en isolator, en topologisk ledare eller en supraledare. Det kan vi titta på med de här teknikerna, säger Oscar Tjernberg.
Dessa två tekniker tillsammans gör det möjligt att få en korrelation mellan hur atomerna sitter och rör sig i förhållande till varandra i materialen (gittret) och hur elektronerna beter sig när materialet utsätts för ultrasnabba excitationer. Excitationen sker genom en mycket kort ljuspuls som antingen direkt exciterar elektronerna och/eller rörelser hos atomkärnorna. Sedan kan vi gå in och se med spektroskopin och mikroskopin vad som händer i materialen när de utsätts för den här pulsen, säger Oscar Tjernberg.
Eftersom kvantmaterial, och ännu mer så deras dynamik, är ett mycket komplext område kommer det senaste inom teoretisk modellering att inkluderas i alla steg i forskningen. Detta för att åstadkomma ett konstant utbyte och en konstant utväxling för att driva forskningen framåt åt det mest lovande hållet.
Projektet”Novel Transient States in Quantum Matter” har fått 30 000 000 kronor under fem år i anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
För mer information, kontakta Oscar Tjernberg på 08 - 790 41 40 eller oscar@kth.se.
Håkan Soold