Ramverket som ska lägga grunden för nästa kvantrevolution

Professor Alexander Balatsky leder ett nytt projekt som ska bryta ny mark inom kvantfysiken. Här ska forskarna utveckla nya teoretiska modeller och metoder för att förstå, förutsäga och i förlängningen även kontrollera nya dynamiska kvanttillstånd. 

Projektanslag 2019

Dynamic Quantum Matter

Huvudsökande:
Professor Alexander Balatsky

Medsökande:

Stockholms universitet
Emil Bergholtz
Stefano Bonetti

KTH
Jens Bardarson

Uppsala universitet
Annica Black-Schaffer

Beviljat anslag:
28 000 000 kronor under fem år

– Vi vill titta närmare på okända och oväntade tillstånd som kan uppkomma som ett resultat av en viss dynamik eller påverkan på olika kvantmaterial. Vi hoppas skapa ett nytt teoretiskt ramverk som kan få en stor betydelse för utforskandet av kvantmekaniken, säger Alexander Balatsky. 

Under tidigt 1900-tal gjordes framsteg inom kvantfysik som bidragit till en ny syn på både materia och universum. Kvantfysiken beskriver hur materia och energi beter sig i sina allra minsta beståndsdelar. Här uppträder en rad fenomen som är svåra att förstå och ännu svårare att påverka med traditionella metoder. 

Ett av skälen till den begränsade förståelsen är att ingen ännu kartlagt vilken roll dynamiken spelar i de kvantmekaniska systemen. I de flesta fall har systemen beskrivits när de befunnit sig i jämvikt, utan energiförluster eller tidsberoende. 

Andra kvantrevolutionen

Samtidigt så är det själva dynamiken i de kvantmekaniska systemen som gör att de rymmer så stora möjligheter, menar Alexander Balatsky. 

– Vi är i mitten av den andra kvantrevolutionen där vi något förenklat beskrivet kan börja dra nytta av kvantvärldens bisarra fenomen och egenskaper, och applicera dem på nya material och tillämpningar. 

Han menar att den första kvantrevolutionen inleddes när Niels Bohr presenterade sin samlade tolkning av kvantmekaniken. Då togs de första stegen mot en bättre förståelse av vår värld. Niels Bohr grundade den skola som senare utvecklades till Nordiska centret för teoretisk fysik, Nordita, dit också Alexander Balatsky är knuten.  

– Vi är oerhört tacksamma att Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har gett oss möjligheten att genomföra detta strategiskt viktiga projekt. Nu kan vi tackla några av de verkligt stora frågorna inom vårt fält. 

Förutsäga nya kvanttillstånd

Projektet samlar teoretiker och experimentalister från KTH, Stockholms universitet och Uppsala universitet. Nya framsteg kan endast göras med ett starkt tvärvetenskapligt arbetssätt, menar Alexander Balatsky.  

– Vårt team består av internationellt konkurrenskraftiga forskargrupper inom alla relevanta områden. Genom att arbeta på flera fronter samtidigt kan vi upptäcka fenomen som säkerligen existerar i dag men är dolda och därför okända för oss. 

Projektet består av två delar där den ena delen bygger på att forskarna utsätter olika kvantmaterial för en direkt påverkan, till exempel genom extremt korta och intensiva laserstrålar. Genom att utsätta ett material för höga våglängder under en kontrollerad tidsperiod kan beståndsdelarna i kvantmaterialens atomer tvingas ur sin jämvikt och helt tillfälligt få helt nya egenskaper. 

Den andra delen handlar bland annat om att utveckla metoder för att förutsäga och studera vilka kvantegenskaper som uppkommer när en partikel förlorar sin energi eller skiljs från sin omgivning. Här tror forskarna att bland annat energispridning och termiska effekter kan resultera i helt nya kvanttillstånd i motsats till tidigare uppfattningar inom fältet.

De material och tillstånd som ska studeras har alla kvantmekaniska egenskaper vilket också ger dem benämningen kvantmaterial. Bland de kvantmaterial som studeras finns de så kallade dirac-materialen. Dessa har kvantmekaniska egenskaper som gör att de kan bli magnetiska eller supraledande. Ett annat är materialet SrTiO3, en oxid av strontium och titan. Under rätt förutsättning tror forskarna att det kan tvingas till att bli supraledande i låga temperaturer. 

Att kunna påverka fler material på liknande sätt kan öppna för utvecklingen av helt nya elektroniska komponenter. 

– Vi kommer att utforska flera teoretiska tillvägagångssätt, både numeriska och analytiska, för att undersöka en bred klass av modeller där olika dynamiska faser sedan kan framställas och testas experimentellt.

På vägen mot kvantdatorn

Att spå vilka applikationer som kan komma ur ett teoretiskt ramverk över det okända är naturligtvis en omöjlighet. För många är kvantdatorn den tillämpning som kommer att ge kvantmekaniken en mer verklighetsnära plats. Samtidigt står inte utvecklingen stilla i väntan på den, betonar Alexander Balatsky. 

– Vi kommer att se många mellansteg på vägen mot kvantdatorn, nya kvantteknologier som kompletterar det som kvantdatorn kan göra. Vårt fokus är att ge fler möjligheten att ta dessa steg baserat på den kunskap vi utvecklar, säger han.  

Att tiden är mogen för nya steg inom kvantmekaniken förklaras av de ökade tekniska möjligheterna att kontrollera kvantmekaniska tillstånd.

– Bland annat gör de nya vacuumtuberna som styr synkrotronljuset i MAX IV det möjligt att få betydligt bättre signaler än tidigare. I dag har vi även lasrar med en mycket högre tidsupplösning än någonsin tidigare. Dessutom ger de senast årens massiva uppskalning av datorkraft oss unika förutsättningar, säger Alexander Balatsky. 

Han liknar tillgången till experimentella anläggningar som MAX IV-laboratoriet och den kommande European Spallation Source, ESS, vid den kikare som Galilei uppfann år 1609.

– Nya instrument och nya ramverk gör det möjligt att göra nya upptäckter. Tänk dig att du var den första människan som såg natthimlen genom en kikare! Vår kikare i dag är MAX IV och ESS och även om vi ännu inte vet vad vi kommer att se, så tror vi att vi står inför en spännande resa.  

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Jimmie Evenholt, Magnus Bergström

 

Mer om Alexander Balatskys forskning