Ny kunskap om laserpulser kan ge strömsnålare datorer
Vad händer när en stark laserpuls träffar ett material? Om vi kan förstå det på mikroskopisk, kvantmekanisk nivå öppnar det för nya typer av informationsteknologi som dessutom kommer att vara väldigt energisnåla. För att undersöka detta tilldelas Anna Delins forskargrupp på KTH drygt 25 miljoner kronor i projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
Med en tillräckligt stark laser- eller ljuspuls är det möjligt att tillfälligt helt ändra ett materials egenskaper. Exempelvis går det att omvandla en halvledare till en metall, eller skapa ett magnetiskt material av ett omagnetiskt. På det här viset är det även möjligt att skapa topologiska magnetiska virvlar och dynamiska strukturer. Dynamiska strukturer som lever kvar långt efter att laserstrålen stängts av.
– De speciella egenskaperna hos den här typen av magnetiska virvlar gör att man kan lagra information i dem, och även styra hur de rör sig med hjälp av väldigt små strömmar. Det gör dem mycket intressanta som grund för mycket energisnål informationsteknologi i framtiden, säger Anna Delin , professor i material- och nanofysik på KTH.
Hur förvandlingen av materialen går till när en stark laserpuls tränger in och varför materialen beter sig så här – det är frågor Anna Delin och hennes forskargrupp ska fokusera på i projektet Light-matter interaction in the ultrafast regime. För att svara på frågorna behöver man undersöka i detalj hur elektronerna i materialet rör sig, konstaterar hon.
Forskning på femtosekundnivå
Eftersom elektronerna rör sig väldigt snabbt behövs ultrasnabb laserteknologi för att kunna observera deras rörelser experimentellt. Det handlar om förlopp som sker på en tidsskala av femtosekunder som forskningsmetoderna måste kunna hantera, enligt Anna Delin.
– En femtosekund är ett mycket kort ögonblick, den förhåller sig till en sekund som en sekund förhåller sig till ungefär 32 miljoner år. På en femtosekund hinner en ljusstråle tillryggalägga en sträcka som motsvarar diametern hos ett typiskt virus, säger hon.
Ultrasnabb elektrondynamik har varit ett aktivt forskningsfält de senaste tjugo åren men det finns mycket kvar att utforska för att fullt ut förstå det. Anna Delin och hennes forskargrupp ska utveckla och använda nya experimentella och teoretiska metoder för att svara på grundläggande frågor om dynamiken i hur ljus och materia växelverkar när de elektromagnetiska fälten är mycket starka. Framför allt vill de undersöka fenomen som kan ligga till grund för framtida tillämpningar.
– Genom att förstå fysiken hos de laserdrivna tillstånden är vår vision att i slutändan kunna manipulera de parametrar som styr det kvantmekaniska tillståndet hos elektronerna och på så sätt skapa nya, specifikt designade tillstånd i materialen, säger Anna Delin.
Kunskapen som skapas i projektet är central för framtida informationsteknologi som till exempel kvantbaserade datorer, förlustfri spinntronik och minnesteknologi för neuromorfiska datorer, det vill säga datorer som efterliknar hjärncellernas funktion.
För projektet Light-matter interaction in the ultrafast regime har Anna Delin beviljats anslag om 25 200 000 kronor under fem år från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
Håkan Soold