– Vi lever i ett informationssamhälle där vi skapar och vill använda allt mer data. Vi vill se filmer med bättre och bättre upplösning, och ha snabbare datorer. Samtidigt, allt detta kräver väldigt mycket energi, säger Stefano Bonetti.

Förhoppningen är att konventionella halvledare som kisel ska kunna ersättas med kvantmaterial. Det som är gemensamt för kvantmaterial är att de har speciella egenskaper som man tror kan användas för att till exempel göra mer kraftfulla och komplexa datorberäkningar.

– Kisel som används i elektronik idag är ett fantastiskt material, men det är begränsat i vad det kan göra. För att kunna överföra, behandla och lagra information på ett mer effektivt sätt behövs nya material.

Utmaningen för Stefano Bonetti och hans forskarkollegor är att förstå och kunna kontrollera kvantmaterialens egenskaper och de tar hjälp av senaste generationen laserinstrument.

Studerar magnetism

Stefano Bonetti kommer från Milano, Italien, och har varit intresserad av vetenskap så länge han kan minnas.

– Min pappa är kemist och har ett stort intresse för naturvetenskap. Han jobbade för ett företag som sålde vetenskapliga instrument, så vi hade ofta mikroskop hemma.

Utbildningen i teknisk fysik inleddes vid Politecnico di Milano. Efter tre år kom Stefano Bonetti till KTH via utbytesprogrammet Erasmus, och blev kvar.

– Jag läste klart en master och blev civilingenjör i teknisk fysik. Sista året studerade vi det som kallas kondenserad materia, ämnen i fast och till viss del flytande tillstånd, och lärde oss beskriva hur dessa material beter sig. Leder materialet värme på ett bra eller dåligt sätt, är det magnetiskt etc. Det var egentligen enkla frågor, men de krävde mycket avancerad analys för att kunna besvaras och det var jätteintressant.

När Stefano Bonetti disputerat på KTH fick han ett stipendium från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse för en postdoktortjänst vid Stanford University i USA.

– Det var där jag mognade som vetenskapsman. Jag fick lära mig hur de främsta inom fältet tänker. En av mina handledare var Jo Stöhr, en pionjär inom magnetism och röntgen.

“Tack vare det här anslaget kan jag göra mer nyfikenhetsinspirerad forskning. Sådant som kanske är lite mer riskabelt och osäkert vad det ska leda till, men också mer spännande.”

Den allra största delen av lagring av information sker idag med magnetism, förklarar Stefano Bonetti.

– Magnetism är en av de så kallade emergenta egenskaper som jag studerar i kvantmaterialen. Men det finns flera andra, och tanken är att hitta nya material med egenskaper som kan tillåta helt nya sätt att lagra och även att bearbeta informationen.

Emergenta egenskaper uppstår i komplexa system och är svåra att förstå sig på. Med kvantmekaniska teorier och nya experimentella metoder hoppas Stefano Bonetti kunna bidra till en tydligare bild.

Kraftiga lasrar

Sedan 2014 har Stefano Bonetti byggt upp sin forskargrupp inom området ultrasnabb dynamik i kondenserad materia på Stockholms universitet i AlbaNova. Som Wallenberg Academy Fellow undersöker han emergenta egenskaper i olika typer av kvantmaterial.

– Det kvantmaterial som kanske är mest känt är grafen och det ingår i en hel klass av material som heter Dirac-material. Det finns också andra material som heter starkt korrelerade material som vi tittar på.

För att kunna följa händelseförloppet på de nanoskalor som Stefano Bonettis forskning utspelar sig används extremt korta och intensiva laserstrålar i terahertz-frekvenser.

– Den våglängden kan man använda för att ”skaka” atomerna under kontrollerade former och samtidigt studera vad som sker. Vi tittar på vad som händer med magnetism, spinn och andra elektroniska egenskaper vid mycket små tidsskalor och dimensioner. Tanken är också att kunna ge nya egenskaper till kvantmaterial genom att skaka om dem. Egenskaper som de inte har i jämvikt.

Laserstrålarna kommer från femtosekunds IR-lasrar eller femtosekunds röntgenpulser genererade i så kallade frielektronlasrar. Tekniken för att alstra högintensiva och ultrakorta optiska pulser har banat väg för många nya lasertillämpningar och belönades 2018 med Nobelpriset i fysik.

Kvantdator till alla

I labbet där laserinstrumenten står visar Stefano Bonetti ett lovande material, SrTiO3, en oxid av strontium och titan.

– Det kallas perovskit, ser ut som glas och är icke-magnetiskt. Men genom att slå på det med laserstrålar så vill vi försöka få det att bli magnetiskt.

Ett kvantmaterial med kontrollerbar ultrasnabb magnetism som inte alstrar värme och som förbrukar den minsta möjliga energimängden. Där någonstans finns lösningen för en hållbar informations- och kommunikationsteknologi. Utmaningarna inom forskningsfältet är stora men Stefano Bonetti är positiv.

– Vi måste vara optimistiska och tro att vi kommer hitta lösningar, även om vi inte ser målet direkt. Jag tänker mig att vi ska hitta material till en kvantdator som alla ska kunna ha i sitt hem. För att nå dit är det viktigt att satsa på nyfikenhetsdriven forskning, för det är där genombrotten kan ske.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström