Redan för mer än 20 år sedan gjorde forskare den överraskande upptäckten att mycket korta ljuspulser kunde ändra ett materials magnetiska egenskaper. I dag vet man att både extremt korta ljuspulser och elektriska strömpulser kan påverka de magnetiska egenskaperna. Men ingen vet riktigt hur eller varför det sker. 

En anledning är att förändringen sker extremt snabbt. Tidsskalan mäts i det som kallas attosekunder som är närmast en ofattbart kort tidsenhet. Inte ens ljuset kommer speciellt långt på den tiden. Under en attosekund rör sig ljuset endast cirka 0,3 nanometer vilket motsvarar bredden av en molekyl.

Under denna korta period lämnar atomens partiklar sitt stabila tillstånd och ett icke-jämviktsförhållande bildas på kvantnivå. Där påverkar partiklarna varandras egenskaper på flera sätt, många fortfarande helt okända, vilket försvårar förståelsen. Eftersom processerna är sammanflätade så behövs ett helt nytt teoretiskt ramverk för att beskriva vad som händer. 

– Mitt mål är att skapa en större förståelse för kvantdynamiken hos material som befinner sig utanför jämvikt. Ett sådant teoretiskt ramverk kan sedan användas för att lösa viktiga problem inom området icke-jämviktsdynamik hos fasta material, säger Peter Oppeneer.

Snabbare datorminnen

Ett nytt ramverk kan lösa upp en rad knutar inom materialvetenskapen. Den ökade förståelsen skulle bland annat kunna leda till mycket snabbare elektronik än dagens. Bland de tillämpningar som kan bli möjliga finns magnetiska datorminnen som lagrar information med mycket högre hastighet. 

Tricket ligger i att kunna utnyttja fler egenskaper hos elektronerna. I dag drar vi nytta av elektronernas snurrande rörelser, eller spinn, för att lagra ettor och nollor i datorminnen och på hårddiskar. En djupare förståelse av dynamiken kan göra det möjligt att använda ännu en egenskap, nämligen elektronernas orbitalmoment. Detta är en kvantmekanisk egenskap hos elektronen som beskriver dess rörelse runt atomkärnan.

Området kallas orbitalbaserad elektronik och anses mycket lovande eftersom det inte bara kan leda till snabbare utan även mer energieffektiv elektronik.

– En av fördelarna är att framtidens datorminnen kan tillverkas i billigare material som till exempel krom, vanadium, titan och även kopparoxid. De blir mer energieffektiva än dagens lösningar. Att ersätta sällsynta jordartsmetaller kan även leda till en mer hållbar tillverkning, säger han. 

Ytterligare ett fält som öppnar sig är nya supraledande material där de magnetiska transportegenskaperna mer eller mindre kan skräddarsys för att kunna leda ström utan motstånd.  

Empirin viktig

Som Wallenberg Scholar tar Peter Oppeneer sig an uppgiften att skapa ett teoretiskt ramverk som blir grunden till orbitalbaserad elektronik. Arbetet är teoretiskt och bygger på ekvationer som kräver tillgång till superdatorer för att räknas ut. Efter att teorierna belagts matematiskt följs varje resultat upp med experiment. 

– Fysik är en empirisk vetenskap och därför är målet alltid att se att hur teori och experiment visar samstämmiga resultat. 

Jag lockas av att kunna förklara saker som andra ännu inte förstått, och bidra till utvecklingen av helt nya områden.

Bland det som gör forskningen möjlig är tillgången till stora tekniska forskningsanläggningar, som XFEL i Hamburg och Max IV i Lund. Där är det möjligt att accelerera elektroner till nära ljusets hastighet. Tekniken kallas frielektronlaser och är en sorts röntgenstrålning som kan användas för att studera olika materialstrukturer på atomnivå. 

Även i Oppeneers labb vid Uppsala universitet finns teknik för att göra vissa av experimenten. Andra görs i samarbete, bland annat i Tyskland, med experimentella fysiker som kan mäta de extremt korta tidsperioderna.

Intresset väcktes i tonåren

Intresset för fysik och matematik väcktes hos honom redan som tonåring. Det som lockade var möjligheten att kunna beskriva och förklara naturvetenskapliga fenomen teoretiskt. Han disputerade vid Vrije Universiteit i hemlandet Holland.

Efter tiden som postdoktor tvekade han dock inför att fortsätta sin akademiska karriär. Vid den tidpunkten hade en av hans kollegor skickat över 200 ansökningar utan att få någon tjänst. Plötsligt tvivlade han på sin egen förmåga. 

– Då gjorde jag en överenskommelse med Gud: om du vill att jag ska fortsätta som fysiker så vill jag få ett erbjudande utan att skicka några ansökningar. Och det var precis vad som hände. 

Han har varit troende sedan tonåren och den kristna tron är fortfarande en viktig del av livet. Att det skulle finnas en motsättning mellan ett naturvetenskapligt synsätt och en religiös övertygelse är en myt, menar han. Snarare är det två kompletterande delar av livet.

  Hans drivkraft är än idag att utveckla den teoretiska förståelsen för naturvetenskapliga fenomen. 

– Det finns fortfarande en hel värld av extraordinära fysikaliska fenomen som sker i icke-jämvikt, och på ultrakorta tidsskalor, som väntar på att utforskas.

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström