Oscar Tjernberg har gett sig i kast med en av de stora, olösta frågorna inom kondenserad materia eller fasta material: hur fungerar supraledningen vid höga temperaturer?
Projektanslag 2018
Novel Transient States in Quantum Matter
Huvudsökande:
Oscar Tjernberg, professor i starkt korrelerade system
Medsökande:
KTH
Jonas Weissenrieder
Nordita
Alexander Balatsky
Lärosäte:
KTH
Beviljat anslag:
30 miljoner kronor under fem år
I projektet ”Novel Transient States in Quantum Matter” tar forskarna sig an de två områdena supraledning och topologiska material. Grundfrågan är densamma inom de båda områdena: vad händer när ett material omvandlas från en fas till en annan?
Genom att använda energirika ljuspulser hoppas de knuffa olika material över gränsen till att bli supraledande eller topologiska. Allt medan processen filmas med hjälp av en teknik där Oscar Tjernbergs forskargrupp är världsledande.
Spöklika fenomen hos kvantmaterial
Gemensamt för supraledare och topologiska material är att de båda sorteras in i kategorin kvantmaterial. Här uppträder en rad fenomen som kan tyckas lite spöklika, menar Tjernberg.
– Topologiska material har till exempel strömmar av polariserade elektroner på ytan men leder inte alls ström inuti. De har egenskaper som många tror kommer att bli viktiga i utvecklingen av nya former av informationsteknik, som till exempel kvantdatorer och nya former av sensorer, säger Oscar Tjernberg, professor i starkt korrelerade system, KTH.
Att supraledande material leder ström helt utan motstånd i extremt låga temperaturer, cirka minus 270 grader Celsius, upptäcktes redan i början av 1900-talet. Men att fenomenet även kan uppstå vid mycket högre temperaturer (det vill säga närmare minus 200 grader Celsius) upptäcktes så sent som 1986.
– Nu är det mer än trettio år sedan upptäckten av högtemperatursupraledare men till skillnad från supraledning vid låga temperaturer vet ingen ännu varför det uppstår. Ett Nobelpris väntar förmodligen den som kan förklara det.
Undersöker fasomvandlingen
Vägen till förståelse går genom att studera vad som händer när ett material omvandlas från en fas till en annan. Vad händer när man passerar gränsen och hur går det till?
– Ingen vet i dag hur omvandlingen sker, om det är elektronerna som påverkar varandra, eller om det sker via atomkärnorna. Kanske är det en kombination, säger Oscar Tjernberg.
Angreppssättet som forskarna valt bygger på att de olika mekanismerna går olika snabbt. Kan de fånga förloppet på film så kanske de förstår vilka mekanismer som styr. Och för att få så skarpa bilder som möjligt har de valt att följa hur elektronerna pratar med atomkärnorna, och via atomkärnorna sedan med varandra.
– Det är en kommunikation som går långsammare och därför kan vi få en skarpare bild. Antingen har vi tur och det är där det intressanta pågår, eller så har vi otur men då har vi i alla fall sållat bort det alternativet.
I projektet deltar även Jonas Weissenrieders forskargrupp som är specialiserade på att titta på hur atomer rör sig med hjälp av ultrasnabb elektronmikroskopi. Medan Oscar Tjernberg frisätter elektroner med fotoelektronspektroskopi för att se var de kommer ifrån och vilken energi de har. Samtidigt modellerar teoretikern Alexander Balatskys grupp olika scenarier.
– Vi skickar in en första ljuspuls som skakar om atomkärnorna i provet och sedan skickar Jonas grupp in en puls med elektroner för att se hur de rör sig. Och min grupp använder en andra ljuspuls för att se vad som händer med elektronerna. Sen pratar vi med Alexander för att förstå vad vi ser, säger Oscar Tjernberg.
Film ger förståelse
Resultatet blir en filmsekvens som visar vad som sker med elektronerna i förhållande till atomkärnorna. En film som förhoppningsvis ger svaret på hur ett material omvandlas från en fas till en annan. Och en förståelse till varför supraledning kan uppstår vid höga temperaturer samt kanske ett recept på supraledare som fungerar vid rumstemperatur.
Plus ett Nobelpris i fysik förstås, för vad kan gå fel? Han svarar med ett gapskratt.
– En miljard saker kan gå fel på den experimentella sidan.
Laserstrålar ska skapas och fokuseras med mikrometerprecision. Experimenten måste utföras i vakuum som är så fritt från luft att det endast utgör en hundratusendels miljondels atmosfär och för att få rätt resultat krävs extremt korta ljuspulser, så korta att de mäts i skalan femtosekunder vilket är en miljondels miljarddels sekund. Samtidigt krävs mycket högre energi än vad konventionella lasrar kan generera.
– Vi behöver omvandla lasrarnas ljus från att vara synligt till våglängder som närmar sig röntgenområdet. För att lyckas använder vi en teknik som kallas harmonisk generering (high harmonic generation) där vi parar ihop ett antal fotoner, eller ljuspartiklar, till en enda som har en mycket högre energi.
Kräver ett generationsskifte
Vanligtvis sker liknande experiment med tusentals pulser per sekund. Men detta experiment kräver hundratusentals ljuspulser per sekund för att lyckas. Därför förbereds ett generationsskifte av tekniken i ett helt nytt laboratorium vid Albanova. Det tredje skiftet sedan Oscar Tjernberg inledde forskningen i början av 1990-talet.
– Vi har hittat ett projekt där ett Nobelpris skymtas i horisonten och där du på vägen dit förhoppningsvis kan lära dig väldigt mycket. Så egentligen finns här inget misslyckande, utan bara att lyckas mer eller mindre.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
