I kvantfysikens märkliga värld verkar det mesta kunna hända. I detta mikrokosmos, på skalan av atomer och nedåt, råder alldeles egna lagar som ger forskarna spännande möjligheter att förklara hur saker i vår värld hänger ihop.

Matthias Geilhufe, teoretisk fysiker och Wallenberg Academy Fellow, har ägnat sitt forskarliv åt att utforska, förstå och beskriva olika företeelser i kvantvärlden. De närmaste åren ska han ta sig an ett relativt nyligen upptäckt fenomen: att material, under vissa omständigheter, kortvarigt kan få starka magnetiska egenskaper.

– Vår forskargrupp var tidigt en del av teorierna kring denna kraftiga effekt. Nu är vårt mål att teoretiskt förklara hur denna starka magnetisering uppstår och fungerar, och hur den kan användas för framtida teknologier, säger han.

Granskar atomernas interaktion med elektronerna

För att förstå mekanismerna bakom magnetism fokuserar forskarna på våra atomer och dess samspel med elektronerna som kretsar runt dess kärna. Atomer är aldrig stilla, och med hjälp av laser kan forskarna idag påverka hur de rör sig och därmed interagerar med de omgivande elektronerna.

– Tack vare laserteknologins utveckling är det numera möjligt att tvinga atomerna att röra sig på ett visst sätt, under en väldigt kort tidsskala, för att manipulera vissa egenskaper hos ett material. I det här projektet är vi särskilt intresserade av hur atomer som rör sig i cirklar interagerar med elektronernas spinn: en kvantmekanisk egenskap och ett rotationsmönster hos elektronerna, som driver magnetism, säger han.

Atomer som rör sig i cirklar framkallar en svag magnetism, men det tycks vara i interaktionen med elektronernas spinn som den verkligt kraftiga effekten uppstår – upp till 10 000 gånger större än utan interaktionen.

– Därför är det viktigt att ta med elektronerna i förklaringen av hur denna starka magnetism uppstår, säger han.

Han betonar att det som teoretisk fysiker är en viktig uppgift att visa hur teorier kan prövas.

Vårt mål är att teoretiskt förklara hur denna starka magnetisering uppstår och fungerar, och hur den kan användas för framtida teknologier.

– Vi behöver besvara frågor som: vilka metoder är bäst för att mäta den här effekten, hur uppstår den, vilken frekvens bör lasern ha? När vi fullt ut förstår och kan beskriva allt detta, då kan vi använda kunskapen till fler områden. Det är så vi kan bygga teknologier, säger han. 

Banar väg för energieffektivare datorer

Att bygga kunskap om hur stark magnetism uppstår och kan utnyttjas kan få betydelse för flera områden. Framför allt inom spinntroniken, där ett viktigt fokus ligger på att kunna skapa energieffektiva datorer.

– Magnetism är viktig för att kunna spara data: idag lagras merparten av all digital information på magnetiska material. Om vi kan få fram bra metoder för att framkalla stark magnetism på ultrakorta tidsskalor, då finns stor potential att kunna använda detta inom framtidens snabba och effektiva data- och kommunikationsteknologier, säger han.

Inom spinntroniken är det ett viktigt mål att minska resistensen, eller motståndet, i material, eftersom resistensen hindrar flödet av elektroner och gör att energi försvinner i onödan. Även inom detta område kan mer kunskap om magnetiska material öppna nya dörrar.

– Idag försvinner mycket överskottsenergi i form av värme från exempelvis våra mobiler och datorer. Om den energin i stället kan användas till datorns beräkningar är mycket vunnet, säger han.

Naturens generalitet fascinerar

Matthias Geilhufes intresse för naturvetenskap och matematik väcktes redan i unga år, och han visste tidigt att han ville arbeta med forskning. Hans pappa är kemist, så vetenskap och naturvetenskapliga fenomen var ofta ett diskussionsämne i barndomshemmet. Så småningom hittade han den perfekta kombinationen av matematik och naturvetenskap i fysiken, och insåg att det var ett ämne som drev på hans nyfikenhet över hur saker och ting hänger ihop.

– Jag drivs av att förstå nya saker, men också att upptäcka hur allt passar tillsammans. Jag blir mer och mer fascinerad över de mönster som finns i fysiken, och hur de kan användas inom så många olika områden. Det finns en generalitet i naturen som är otroligt spännande, säger han.

Framstegen inom forskningen gör det mer och mer nödvändigt att samarbeta, påpekar Matthias Geilhufe. Och det är något han trivs med.

– Naturvetenskaplig forskning är svår att bedriva själv, det behövs olika kunskaper och kompetenser. Jag trivs väldigt bra när jag får interagera med kollegor och samarbetspartners, och eftersom mitt fält är så internationellt är det också roligt att få arbeta med människor från många olika länder, säger han.

Att få ett anslag som Wallenberg Academy Fellow kallar han för ett privilegium, på flera plan.

– Anslaget innebär en oerhört viktig finansiering för forskningen som ger oss möjlighet att besvara de riktigt stora forskningsfrågorna. Men det är också fantastiskt att bli en del av Wallenbergstiftelsernas nätverk, och möta andra forskare som bygger upp egna forskningsgrupper. Det är en väldigt fin förmån, säger han.

Text Ulrika Ernström
Bild Johan Wingborg