– Tidigare använde jag bara papper och penna i min forskning. Nu har jag börjat med dator för vissa beräkningar och för att göra bilder, säger Maria Hermanns.

Hon öppnar en bild på sin dator. Färgglada små bollar visar hur grundämnen av olika typer sitter i en kristallstruktur. Det är en modell av ett av de fysikaliska system Maria Hermanns undersöker i sin forskning här på Nordiska institutet för teoretisk fysik, Nordita, och fysikum vid Stockholms universitet.

Bilderna hjälper Maria Hermanns att få en bättre förståelse för systemen hon arbetar med – vars strukturer och egenskaper ofta är komplicerade – men som kan bana väg för nya exotiska material.

Formen är huvudsaken

Maria Hermanns är teoretisk fysiker. Hennes forskning handlar om att studera så kallade topologiskt ordnade system. Topologi är en gren inom matematiken som beskriver föremål utifrån deras övergripande struktur, och där egenskaper bara kan ändras stegvis. Till exempel är ett klot och en skål topologiskt sett samma. De har inget hål och går att omformas till varandra utan att slitas isär. En badring har däremot ett hål och tillhör en annan topologisk klass.

Men topologi har också visat sig vara ett effektivt verktyg att ta till inom fysiken. Material som kan beskrivas med topologiska begrepp kan uppvisa ovanliga materietillstånd med intressanta egenskaper. Till exempel har man upptäckt så kallade topologiska isolatorer; material vars topologiska egenskaper gör att de leder ström på ytan men inte inuti.

I sin forskning undersöker Maria Hermanns topologiska materietillstånd med hjälp av teoretiska beräkningar, men hon har också kontakt med experimentella forskare.

– Vi tittar på vad som teoretiskt är möjligt och kan utifrån det komma med förslag på material där de här tillstånden finns och som skulle kunna tillverkas experimentellt. Idag finns fortfarande bara några få riktiga system som man säkert vet är topologiskt ordnade, säger Maria Hermanns.

Studerar tre dimensioner

En allmän förhoppning är att material av den här typen ska kunna användas i nya generationer av elektronik och supraledare. Maria Hermanns forskning rör bland annat ett topologiskt tillstånd som kallas kvantspinnvätskor. De nämns ibland som möjliga byggstenar för framtidens kraftfulla kvantdatorer. Men Maria Hermanns tonar ned de eventuella tillämpningarna.

– Det är inte det som driver min forskning. Jag tycker att det här är intressant i sig, sedan får man se vad som kommer ur det. När det gäller kvantspinnvätskor tror jag inte att de är användbara till någonting. De är ganska undflyende. Det är årtionden sedan deras existens förutsades teoretiskt, men fortfarande har vi inte något experimentellt system som vi säkert kan säga är en kvantspinnvätska.

”Med det här anslaget kan jag bygga upp en egen forskningsgrupp – den forskning jag kan bidra med blir rikare när fler personer är involverade. Anslaget ger mig också tryggheten att våga ta mig an frågor som är väldigt intressanta, men som jag inte är säker på att de kan besvaras.”

En av Maria Hermanns specialiteter är att studera topologiska materiefaser i tre dimensioner, alltså inte bara på platta ytor. I tre dimensioner är möjligheterna större än i två – i ett sådant system skulle det till exempel kunna finnas flera olika typer av kvantspinnvätskor, berättar hon. Men idag är kunskapen om sådana system begränsad.

– Jag vill öka förståelsen för vad som kan hända i tre dimensioner. Jag tittar till exempel på effekter vid gränserna för tredimensionella system, vad som händer om vi sätter ihop två system eller för in orenheter i materialet.

Maria Hermanns forskning bidrar till ökad teoretisk kunskap, som sedan kan testas experimentellt i verkliga tredimensionella material.

– Ja, förhoppningsvis, men fortfarande är de material som är mest lovande att realisera tvådimensionella. Fast vi har några intressanta tredimensionella kandidater.

Snubblade in i fysiken

För Maria Hermanns innebär anslaget Wallenberg Academy Fellows en återkomst till Stockholm. Hon gick sin masterutbildning i fysik vid KTH och doktorerade vid Stockholms universitet. Därefter har hon arbetat som postdoktor vid Princeton University i USA samt vid Kölns universitet i Tyskland, och senast ett år som forskare vid Göteborgs universitet.

Nu bygger hon sakta upp sin egen forskningsgrupp vid Stockholms universitet. En postdoktor och två doktorander blir lagom, tycker hon.

– Med en mycket större grupp hinner jag inte göra mina egna beräkningar längre, och det skulle jag sakna. Jag gillar att göra beräkningar och vill ha tid för det.

Maria Hermanns är född och uppvuxen i Tyskland. I skolan tyckte hon om all sorts naturvetenskap, och att det till slut blev fysik hon kom att ägna sig åt var inte självklart.

– Jag tänkte att matematik är för torrt och kemi för tillämpat, så jag valde fysik som verkade ligga mitt emellan. Jag snubblade in i fysiken och tyckte om det.

Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström