Som Wallenberg Scholar har Olle Eriksson byggt upp en världsledande miljö inom materialteori vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala. Med hjälp av matematiska modeller och datorsimuleringar studerar han bland annat magnetiska material för att teoretiskt förutspå funktionalitet och förbättrade tillämpningar. Förhoppningen är att identifiera nya, billigare och miljövänligare magnetiska material, men även att ständigt förfina teoretiska metoder som beskriver materialen.

"Anslaget Wallenberg Scholar är unikt eftersom det möjliggör stora och svåra frågeställningar. Vår forskning skulle inte ha samma slagkraft annars och vi skulle inte hänga med i den internationella konkurrensen."

Idag baseras starkt magnetiska material på sällsynta jordartsmetaller, som exempelvis neodym. Men nästan alla gruvor med sådana metaller ligger i Kina och priserna pendlar upp och ner. Oron är stor för att tekniken görs beroende av en råvara som blir alltför dyr och svår att få tag på.

– Dessutom är gruvdriften väldigt miljöförstörande så det finns flera motiv till att intresset nu växer för att hitta alternativa magnetiska material. Det är nödvändigt om vi ska kunna få en grön energiväxling, säger Olle Eriksson.

Nya magnetiska material skulle också kunna göra elektroniken snabbare och energisnålare och även göra det möjligt att lagra större mängder information. Därför söker forskarna efter nya metallkombinationer och tar hjälp av matematiken.

– I grunden har vi ett antal ekvationer, baserade på kvantmekaniken, som vi använder för våra beräkningar och som vi kan utföra i hög hastighet med hjälp av superdatorer, framför allt SNIC, som är en oerhört viktig infrastruktur för svenska forskare. 

Beskriver elektroners dynamik 

Matematiken bygger på den så kallade Schrödingerekvationen som beskriver partiklars, till exempel elektroners, dynamik. För några år sedan skapade Uppsalaforskarna en hel databas baserad på materialens elektronstruktur.

– Vi tittar mycket på hur elektronerna rör sig i material. Det är elektronrörelsen som ger upphov till alla de kemiska bindningar som stabiliserar materialen, och förklarar till exempel varför järn är magnetiskt, fönsterglaset är genomskinligt och våra DNA-strängar ser ut som de gör, förklarar Olle Eriksson.

Elektronstrukturen beskriver materialets egenskaper och kan liknas vid materialets eget DNA. I databasen finns uppgifter om över 100 000 material, som till exempel järn, aluminium och kisel. 

I nästa steg kan forskarna ta material med attraktiva egenskaper och simulera dem i filmer. Det kan nästan beskrivas som att man ”uppfinner” materialen i datorn.

– Vi har till exempel publicerat en järn-koboltlegering med goda egenskaper. Men ett problem är att kobolt inte är särskilt billigt, så sannolikt kommer detta material inte att vara en framtida lösning.

En annan kombination med stor potential är järn-nickellegeringar. Den är billig och miljömässigt acceptabel, men det finns svårigheter, framför allt vid syntetiseringen av materialet.

– Järn- och nickelatomerna är bångstyriga och vill ligga oordnade på kristallgittret. Vår utmaning är att försöka få dem att lägga sig på rätt plats. 

Efter teoretiska förutsägelser och syntes av nya föreningar slussas materialen vidare till andra forskare för att prövas i praktiska experiment. 

Men forskningen inrymmer också andra spår, bland annat skyrmioner, ett magnetiskt fenomen som kan revolutionera framtidens elektronik. Skyrmioner är partikelliknande magnetiseringsvirvlar som kan vara stabila i flera material. De kan göras extremt små och programmeras med spinn-polariserade strömmar som är möjliga att styra i önskad riktning.

– Förhoppningen är att skyrmioner ska kunna användas som informationsbärare eftersom de har en unik inre struktur, en topologi, något som uppmärksammades med Nobelpriset i fysik 2016.

Magnetisk kylning 

Ett annat forskningsspår är magnetisk kylning, ett område som har varit känt i nästan 100 år, men som än så länge är för dyrt för vanliga hushåll. Tekniken kan illustreras med grundämnet gadolinium som värms upp varje gång det utsätts för ett magnetfält, och svalnar när magnetfältet försvinner, med en temperaturförändring på cirka 4 grader.

– Det är en teknik som skulle kunna ersätta kompressorbaserade kylskåp, men vi behöver först finna bättre material, säger Olle Eriksson.

Potentialen är enorm. Experiment med en järn-rhodiumkristall visar att man skulle kunna halvera energiförbrukningen jämfört med vanliga kompressorbaserade kylskåp. Nackdelen är dock priset för materialet.

– Diamanter skulle framstå som billiga vid en jämförelse.

Olle Eriksson är övertygad om att forskningen i framtiden kommer att kunna bidra med lösningar på dagens miljö- och energiproblem. Men det är inte de aktuella samhällsbehoven som utgör den främsta drivkraften, utan snarare en bubblande nyfikenhet på att kunna besvara de grundläggande vetenskapliga frågorna.

– Vi vill framför allt förstå svåra saker samt testa och utveckla modeller – och sedan gör det förstås inget om de resultaten leder fram till tekniska tillämpningar som blir till nytta i vardagen.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström