Supraledare är material som kan leda elektrisk ström utan energiförluster. Enligt den klassiska fysiken borde det inte vara möjligt, de elektroner som rör sig genom materialet borde krocka med andra partiklar och generera värme. Men vid supraledning hamnar alla elektroner i ett gemensamt kvanttillstånd som gör att elektronerna rör sig motståndslöst.

– Det här är en av ytterst få situationer, nästan den enda, där man kan se kvantmekaniken på de längdskalor som vi är vana vid att betrakta med ögat, säger Annica Black-Schaffer, Wallenberg Academy Fellow och forskare i kvantmateriens teori vid Uppsala universitet.

Supraledare används i bland annat magnetkamerautrustning på sjukhus. Användningsområdena kunde bli betydligt fler om materialen inte behövde kylas till mycket låga temperaturer för att fungera. Därför är intresset stort för nya typer av supraledare, och mer kunskap om de supraledande material som finns i dag.

Annica Black-Schaffer utvecklar inte material i praktiken, utan försöker förstå fenomenet i teorin genom beräkningar och modelleringar.

– Jag är intresserad av det allra första steget. Att förklara naturen. Hur beter sig elektronerna i materialet, varför blir det supraledande, vad har det för egenskaper? Den förståelsen kan någon annan sedan använda till något ingenjörsmässigt.

”Som Wallenberg Academy Fellow känner jag att det är någon som tror på vad jag gör. Det ger mig en säkrare position, och det betyder jättemycket.”

Topologiska förändringar ger ny fysik

Hon forskar bland annat på vad som kallas topologiska supraledare – och nu blir det krångligt på allvar. Till att börja med kan en elektron betraktas både som en partikel och som en våg. Som våg kan elektronen beskrivas med en så kallad vågfunktion, och det är den som har ett topologiskt ”utseende”. Topologi är läran om hur saker ser ut.

– Ett väldigt konkret exempel är att en bulle har en viss topologi, medan en munk har en annan eftersom den har ett hål rakt igenom. De senaste femton åren har det visat sig att elektroners vågfunktioner och energispektrum kan se topologiskt olika ut. Det är inte så enkelt som hål i en munk, men matematiskt kan man beskriva det som väldigt abstrakta hål. Och framför allt ger topologin vågfunktionerna olika fysiska egenskaper.

Topologi är ett gammalt synsätt inom matematiken, förklarar Annica Black-Schaffer, men ett nyare synsätt inom fysiken. Topologiska förändringar på nanoskala har visat sig kunna ge supraledare helt nya egenskaper.

– Utifrån beskrivningen av ett material eller kombinationer av material, antingen teoretiskt eller från experiment, kan jag räkna på vad som händer om man ändrar detaljer i sammansättningen eller i materialets utseende på nanoskala. Vad händer om jag gör en kant rak som tidigare var sned, eller lägger in lite orenheter i materialet, eller gör som en liten trappa på ytan?

Vridet kol kan bli ny supraledare

I sin tidigare forskning har Annica Black-Schaffer arbetat mycket med kända supraledande material och med ett slags partiklar som kallas Majoranafermioner. En Majoranafermion är som en elektron delad i två, vilket betyder att vågfunktionen består av två sammankopplade delar. Det är en kvantmekanisk effekt som man i framtiden hoppas kunna använda för att bygga kvantdatorer som är mer robusta än de som konstrueras i dag. Och det är i just topologiska supraledare som Majoranafermioner finns.

Men för tillfället är hon främst intresserad av att hitta nya kombinationer av egenskaper som kan ge upphov till hittills okända topologiska supraledare. Bland annat studerar hon tvålagersgrafen, rent kol i två lager som bara består av ett enda ark kolatomer vardera.

– Om man vrider de här två lagren lite relativt varandra, bara en enda grad, så uppstår ett överliggande mönster. Det ser ut som det som kallas moiré, som bildas när man lägger två tunna tyger på varandra och får ett interferensmönster. Vridningen ändrar den elektroniska strukturen och materialet blir supraledande vid låga temperaturer. Jag försöker förstå vad för typ av tillstånd det här är, om det kanske är topologiskt och vad det har för egenskaper.

Redan som liten älskade Annica Black-Schaffer att lära sig nya saker. Hon tyckte att det var roligt med matte, fysik och historia. Hennes föräldrar hade själva ingen högre utbildning men uppmuntrade henne när hon ville läsa vidare. Först blev hon civilingenjör. Forskning var inget hon tänkte på till en början, hon visste inte riktigt vad det var, men steg för steg förstod hon vad man kunde göra inom akademin och sökte en plats på forskarutbildningen. Hon disputerade vid Stanford University, men återvände efter några år till Sverige. Att kvantmateriens teori blev hennes område var lite av en slump, men hon minns var det var som lockade med fysiken som helhet.

– Inom historia fanns det alltid så många olika förklaringar till varför det blev som det blev. Inom fysik fanns en enda förklaring. Till slut var det nog det som fick mig att välja det ämnet – det var klarare.

Text Lisa Kirsebom
Bild Annica Black-Schaffer, Magnus Bergström, Mikael Wallerstedt