Öppnade dörren till ett nytt fält inom teoretisk fysik

Wallenberg Academy Fellow Emil Johansson Bergholtz har lagt grunden till ett helt nytt forskningsfält inom teoretisk fysik. Efter tre års utforskning av fältet tas nu steget till att hitta nya tillämpningar för kunskapen. Bland de första kan bli en sensor för mörk materia. 

Emil Johansson Bergholtz 

Professor i teoretisk fysik

Wallenberg Academy Fellow 2015

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Topologiska system

– Tidigare har jag arbetat mycket teoretiskt men de nya insikter jag fått de senaste åren har minskat steget till att bygga praktiska saker som kan lära oss något nytt om naturen, säger Emil Johansson Bergholtz. 

Material med ovanliga egenskaper

Forskningen som Emil Johansson Bergholtz ägnar sig åt hör hemma inom området topologi. Topologin har de senaste åren fått ett uppsving inom fysiken då dess matematiska verktyg kan användas för att förklara ovanliga materialtillstånd med intressanta egenskaper. Bland exemplen finns topologiska isolatorer som är material som leder ström på ytan men inte inuti. 

Topologiska system beskrivs i de flesta fall isolerade från omgivningen. Emil Johansson Bergholtz genombrott kom när han insåg hur hans kunskaper inom geometriskt frustrerade material kunde ge en ökad förståelse även av öppna topologiska system, det vill säga system som växelverkar med sin omgivning. 

Experimentalister hade redan tidigare visat intressanta resultat från området men före Bergholtz hade ingen teoretiker lyckats förstå detta mer generellt. 

– Jag och min forskargrupp tog möjligheten att använda vår kunskap på en ny arena. I dag är våra teorier bekräftade i både optiska och mekaniska system samt elektriska kretsar. Vi har ägnat de senaste tre åren att förstå dessa system och även beskriva dem i form av ett teoretiskt ramverk.

Vissa matematiska detaljer i det nya ramverket fanns närvarande i den teoretiska fysiken redan i mitten av 1900-talet. Men det är först nu som det är möjligt att bekräfta teorierna genom experiment. 

– Detta är en häftig tid då fysik, matematik och materialvetenskap närmar sig varandra. 

”Anslaget ger dig en position där du kan arbeta mer långsiktigt och du blir friare att följa dina uppslag. Det är viktigt att ha den flexibiliteten för att lyckas.”

De topologiska materialen omnämns ofta som mycket lovande byggstenar till framtidens kvantdatorer. Emil Johansson Bergholtz betonar dock att vägen dit är mycket lång. 

– Ofta sägs det lite slentrianmässigt att topologiska system kan få sin användning i kvantdatorer. Men ska vi vara ärliga så ligger det väldigt långt fram i tiden. Dagens datorer är så bra att det kommer ta lång tid innan kvantdatorer blir bättre på motsvarande uppgifter, säger han. 

Däremot kan enklare applikationer som olika former av sensorer komma mycket tidigare, menar han. 

Sensor för mörk materia

En möjlig tillämpning är en sensor för mörk materia eller i praktiken för axioner. Dessa är hypotetiska elementarpartiklar men anses av flera kunna förklara förekomsten av mörk materia i universum. Bland dem finns nobelpristagaren Frank Wilczek som i dag är professor vid Stockholms universitet. 

– Eftersom experiment redan gjorts som visat hur våra teorier kan användas för att bygga effektiva sensorer så behöver vi bara hitta intressanta saker att mäta. En sådan sak kan vara mörk materia och vi diskuterar med Wilczeks forskargrupp hur det kan göras på bästa sätt. 

Fördelen med sensorerna är att de blir oerhört känsliga vilket krävs för att fånga upp de mycket svaga signaler som axioner tros ge ifrån sig. 

 – Men eftersom ingen ännu vet om axioner existerar så är det ett långskott – dock väl värt att testa, säger Emil Johansson Bergholtz.

Ännu är det för tidigt att avgöra var det nya fältet kan leda forskningen, menar han. 

– För fem år sen kunde jag inte förutsäga var vi skulle vara i dag och detsamma gäller för fem år framåt. Men spännande blir det säkert. 

Följ dina egna idéer

Emil Johansson Bergholtz menar att som teoretisk fysiker är det viktigt att våga ge sig hän till nya uppslag eftersom de kan leda till oavsiktliga upptäckter. Något som blir tydligt när han berättar om uppkomsten till ramverket för öppna topologiska system. Varje morgon innan frukost har han som rutin att skumma igenom de senaste publicerade forskningsartiklarna inom flera olika områden. 

– En morgon hittade jag en artikel där kunskap från mitt fält applicerats på optiska system. Resultatet hade väckt frågor som jag insåg att min grupp kunde besvara. Senare samma dag lyfte jag idén med mina doktorander och tillsammans hade vi en artikel klar inom några veckor, säger han. 

Forskningsartikeln är Emil Johansson Bergholtz mest citerade hittills och öppnade dörrarna till det nya forskningsfältet. 

– I dag leder en av de doktorander som deltog en egen forskargrupp vid Max Planck institutet. Att det går bra för mina studenter är roligare än min egen framgång.

När han började studera så var det ämnen som ekonomi och historia men det var när han bytte till matematik och fysik som han hittade hem. 

– Där fick jag ett sätt att organisera mina tankar som passade mig. Möjligheten att skapa en detaljerad förståelse av ett område lockade men det var aldrig ett mål att doktorera eller ännu mindre att bli professor. 

Båda hans föräldrar är grundskolelärare och själv trodde han länge på en egen lärarbana. Men i takt med att studierna gick allt bättre blev resultatet ett annat. 

– Mina karriärmål nådde jag för länge sedan så kan jag bli kvar på denna forskningsnivå ännu en tid så är jag väldigt nöjd. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström, Emil Johansson Bergholtz