Med pulser av starkt laserljus går det att skapa material med nya egenskaper, som kan ligga till grund för framtidens energisnåla informationsteknologi och elektronik. Hur den här omvandlingen av materialen går till undersöker forskare i ett projekt där experiment med ultrasnabb laser går hand i hand med teoriutveckling.
Projektanslag 2022
Light-matter interaction in the ultrafast regime
Huvudsökande:
Anna Delin, professor i beräkningsbaserad nanomagnetism
Medsökande:
Uppsala universitet
Hermann Dürr
Olle Eriksson
Olof Karis
Lärosäte:
KTH
Beviljat anslag:
21,2 miljoner kronor under fem år
När laserljus träffar ett material kan det hända spännande saker. Är lasern för stark, smälter eller förgasas materialet. Men rätt utformade pulser av laserljus kan i stället ändra materialets egenskaper: ett omagnetiskt material kan bli magnetiskt, en halvledare bli en metall och möjligen går det också att skapa supraledare, material som leder elektrisk ström utan motstånd.
Hur sådana omvandlingar går till undersöker forskare vid KTH och Uppsala universitet i ett projekt med finansiering från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
– Vi försöker förstå vad som händer när pulser av starkt laserljus tränger in i ett material. Varför förändras materialen och hur går det går till? säger Anna Delin, professor i beräkningsbaserad nanomagnetism vid KTH och huvudansvarig för projektet.
Datalagring i magnetiska virvlar
Anna Delin ritar atomer som prickar och magnetfält som pilar på en whiteboardtavla. Vi sitter i kafferummet i Freia-laboratoriet vid Uppsala universitet, Anna Delin har kommit hit från Stockholm för att träffa sina projektkollegor. På tavlan förklarar hon ett av de fenomen gruppen ska undersöka.
Det handlar om magnetism, men inte som i vardagens kylskåpsmagneter. De här tillstånden kan enklast beskrivas som mönster av virvlande magnetism, med fysikaliska egenskaper som väcker förhoppningar.
– Det går att lagra information i den här typen av magnetiska virvlar. De är stabila och går att styra med väldigt små pålagda strömmar, vilket gör dem intressanta som grund för extremt energisnål informationsteknologi i framtiden, säger Anna Delin.
Men även om det finns lovande tillämpningar för flera av de fenomen forskarna undersöker, är det grundforskning projektet handlar om.
– Vi försöker förstå de här fenomenen. Men om man förstår någonting på djupet så kommer saker ofta till nytta, förr eller senare, oavsett hur abstrakt det kan verka när forskningen pågår.
Använder ultrasnabb laser
”Beam off", strålen avslagen, står det på dörren till laserrummet i Freia-laboratoriet där projektets forskare har samlats. Förändringarna de vill studera, som uppstår i materialen när de träffas av laser, sker på tidsskalan femtosekunder. Det är snabbt! En femtosekund förhåller sig till en sekund som en sekund förhåller sig till ungefär 32 miljoner år.
En viktig förutsättning är därför de senaste decenniernas framsteg inom laserteknik, som har gjort det möjligt att skapa extremt korta laserpulser och styra laserljusets egenskaper med god kontroll.
– Vi ska testa vad som händer när olika material träffas av laser med olika energier, med olika pulslängder och olika frekvenser. Vi kan också mata på med många ljuspulser med en viss periodicitet och då få intressanta tillstånd som håller i sig över tid, säger Anna Delin.
Forskarna använder två olika experimentuppställningar med ultrasnabba lasrar. Den i Freia-labbet är inriktad på att skapa laserljus med mycket väldefinierad energi, för att kunna studera i vilken mån små energiskillnader påverkar förändringarna i materialen. I det andra labbet, Helios, används en laser med något högre energi för att undersöka hur förändringarna utvecklar sig över tid.
Kräver superdatorer
I projektet kombineras expertis från både experimentella och teoretiska forskare. Den teoretiska forskningen handlar om att beskriva fysikaliska system med ekvationer baserade på kvantmekanik och lösa dem med hjälp av superdatorer. Ekvationerna går inte att lösa exakt, utan det gäller att göra uppskattningar, approximationer.
– Vi försöker göra bättre approximationer och därigenom noggrannare beräkningar. Tidsberoendet, hur saker ändras med tiden, är viktigt och tar mycket datorkraft att räkna. Det är relativt nytt att vi kan göra det tillräckligt bra på annat än väldigt enkla modellsystem, säger Anna Delin.
Hon och medsökanden Olle Eriksson är teoretiskt inriktade forskare, medan Hermann Dürr och Olof Karis är experimentella laserforskare. Samarbetet mellan experiment och teori är berikande åt båda hållen, konstaterar Anna Delin. De experimentella forskarna kan få fram mätresultat som teoretikerna sedan försöker förstå och beskriva med kvantmekaniska modeller, eller så kan beräkningarna leda vägen.
– Vi kan räkna på system som inte existerar och hitta intressanta egenskaper i ett visst material. Då kan vi förutsäga material som borde gå att tillverka, som experimentalisterna kan titta närmare på.
Materialen som studeras innehåller ofta övergångsmetaller, det vill säga grundämnen i periodiska systemets mittersta del, som nickel, järn och kobolt, och är ofta oxider av sådana metaller.
Projektet pågår i fem år, till att börja med. Under den tiden ska gruppen bidra med ny kunskap om hur och när laserdrivna tillstånd bildas.
– Visionen är att vi lär oss kontrollera hur man skapar de här tillstånden, för att på så sätt kunna ta fram nya, designade tillstånd av materia på begäran, säger Anna Delin.
Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström
