Kvantmekaniska fenomen som supraledning och magnetism har en enorm potential att revolutionera både elöverföring och snabb elektronik.

Med supraledning kan elektricitet flöda genom en ledare utan att någon energi förloras som värme. Det kan utnyttjas för kvantdatorer, svävande tåg och andra innovativa tekniker.

Annica Black-Schaffer, professor i kvantmateriens teori vid Uppsala universitet, vill som Wallenberg Scholar fördjupa och förbättra förståelsen av dessa fenomen. Hon strävar efter att hitta enkla modeller som kan förklara egenskaperna hos hela familjer av material.

Samverkan mellan många elektroner

En grundläggande idé inom materialfysik är att när många elektroner samverkar uppstår nya kvantmekaniska fenomen som inte vore möjliga med enstaka elektroner.

För att en sådan elektronisk ordning ska uppstå krävs växelverkan mellan elektronerna, och antalet elektroner som har noll energi är särskilt betydelsefullt.

– Ju fler elektroner vid noll energi, desto mer benäget är materialet att utveckla olika typer av ordning, säger Annica Black-Schaffer.

Vanligtvis är material inte helt isolerade utan påverkas av sin omgivning — de ingår i ”öppna system”. Denna öppenhet ses traditionellt ofta som skadlig för kvantmekaniska egenskaper, vilket gör att man inte förväntar sig att enkelt finna elektronisk ordning i öppna system.

– Till och med ett dammkorn kan förstöra de subtila kvantmekaniska tillstånden och då rubba den elektroniska ordningen. Kvar blir bara klassisk fysik.

Nu utmanar Black-Schaffer och hennes kollegor den rådande synen och visar att öppenhet faktiskt kan skapa ordning. Genom att kombinera supraledning med så kallade icke-hermitska effekter som finns i öppna system skapas nya möjligheter.

– Vi har hittat ett sätt där vi kan dra nytta av vissa effekter av att systemet är öppet för att förstärka de kvantmekaniska effekterna – i vårt fall supraledning, men det kan också handla om andra kvantmekaniska fenomen, som magnetism.

Bryter mot vanliga regler

Icke-hermitska effekter är ett komplicerat begrepp, men kan bli lättare att förstå med en liknelse.

Tänk dig en person som kastar en sten i en damm. Krusningarna sprider sig jämnt i alla riktningar, innan vattnet så småningom lugnar ner sig igen. Detta motsvarar ett hermitskt system där energi bevaras och allt sker symmetriskt och förutsägbart.

Men om dammen i stället har strömmar som drar vågorna åt olika håll, eller om det finns hinder under ytan som påverkar vågrörelsen, kan vågorna förstärkas på oväntade sätt eller försvinna snabbare än vanligt. Detta liknar ett icke-hermitskt system där energi kan tillföras eller förloras, och där systemet inte längre beter sig enligt de vanliga reglerna.

”Jag drivs av att lösa problem om hur naturen beter sig i materia som finns överallt runt omkring oss. Självklart finns det tillämpningar ”down the road”, men mest handlar det om att förstå hur saker och ting fungerar.”

Icke-hermitska effekter beskriver alltså system där energi och information kan läcka in eller ut, vilket skapar nya och överraskande fenomen.

En effekt som kan uppstå är förekomsten av så kallade exceptionella punkter, där systemets energinivåer sammanstrålar men där det normala beteendet bryts och vågfunktionerna inte längre är oberoende av varandra utan blir parallella.

– Det är en central icke-hermitsk effekt där energierna blir lika och vågfunktionerna blir parallella och helt överlappar varandra. Det är en sorts fysik som inte kan uppstå inom vanlig kvantmekanik, säger Annica Black-Schaffer.

Genom att skapa exceptionella punkter vid noll energi kan forskarna generera massor av noll-energi-elektroner, vilket är precis vad man vill uppnå om man ska framkalla en elektronisk ordning som exempelvis supraledning.

– Vi ser att vi kan få supraledning mycket snabbare och starkare när vi har de här icke-hermitska effekterna.

Ny teoretisk ram

Nu pågår arbetet med att ta fram en teoretisk ram för att förbättra och förstå elektronisk ordning i den här sortens öppna system.

En del av forskningen går ut på att formulera relevanta modeller och göra beräkningar, ibland med penna och papper och ibland med avancerade superdatorer.

– Om du frågar vad vi gör hela dagarna så är svaret att vi sitter och läser, räknar, skriver och programmerar – och pratar med varandra.

Än så länge är det långt till praktiska tillämpningar, men en ökad teoretisk förståelse är ett viktigt steg på vägen.

Supraledning uppstår oftast vid extremt låga temperaturer, nära absoluta nollpunkten vid minus 273 grader Celsius. En dröm vore att upptäcka material som blir supraledande vid högre temperaturer, vilket skulle kunna revolutionera allt från kvantdatorer till elöverföring.

– Supraledning vid rumstemperatur är ju den heliga graalen med enorma möjligheter. Man kan till exempel tänka sig solceller väldigt långt från Sverige och sedan kunna ta elektriciteten hela vägen hit, även när inte solen skiner här.

För Annica Black-Schaffer är det ändå problemlösningen som står i centrum.

– Vi bidrar förhoppningsvis med några pusselbitar. Det viktigaste är att forskningen leder till en bättre grundläggande förståelse av hur naturen fungerar.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström