Dynamik i kvantmateria

Annica Black-Schaffer
Annica Black-Schaffer. Foto: Fredrik Persson.

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse beviljade totalt 640 miljoner kronor i projektanslag för 2019 till 20 forskningsprojekt som bedömts hålla högsta internationella klass och ha möjlighet att leda till framtida vetenskapliga genombrott. Institutionen för fysik och astronomi var medsökande i ett av projekten som tilldelades 28 miljoner kronor under fem år.

Projektbeskrivning

Huvudsökande: professor Alexander Balatsky, Stockholms universitet
Medsökande: Annica Black-Schaffer, materialteori, Emil Bergholtz (SU), Jens Bardarson (KTH), Stefano Bonetti (SU)
Projekt: Dynamik i kvantmateria
Beviljat anslag: 28 000 000 kronor under fem år
Finansiär: Projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse

Kvantmateria innefattar alla material och materiaklasser där kvantmekanikens effekter är särskilt framträdande. Förvisso behövs kvantmekaniken för att beskriva alla typer av material, även de enklaste metallerna och halvledarna, men det är i material där de kvantmekaniska effekterna är stora som det ofta helt oväntade sker. Detta kan röra sig om allt från supraledning, där elektronerna rör sig helt utan motstånd, till exotiska magnetiska tillstånd eller material som blir isolatorer för att elektronerna helt lokaliseras på grund av deras inbördes kvantmekaniska växelverkan.
 
Det är den enorma mängden elektroner, runt 1023 st, som alla växelverkar kvantmekaniskt med varandra som ger upphov till den enorma variationen av exotiska fenomen i kvantmateria. Att utveckla förståelse för detta är ren grundforskning, men nya upptäckter erbjuder också enorma möjligheter till framtida tillämpningar inom vad som har börjat benämnas kvantteknologi vilken förväntas ta över efter den nuvarande kiselbaserade elektroniken. Samtidigt som möjligheterna är nästan oändliga i kvantmateria gör komplexiteten i dessa material dem otroligt svårstuderade, då det i stort sett helt saknas exakta lösningar.
 
Ett mycket viktigt skäl till vår begränsade förståelse för kvantmateria är att traditionella teoretiska och experimentella metoder inte tar någon dynamik i beaktning utan istället verkar vid jämvikt, utan energiförluster, och utan något tidsberoende. Detta trots att många mikroskopiska egenskaper i kvantmateria har en stark inneboende dynamik. Dynamiska fenomen är därför ett mycket centralt koncept inom kvantmateria.
 
Vårt KAW projekt Dynamik i kvantmateria (DQM) tar fasta på att dynamik är oumbärlig i kvantmateria och kommer att utveckla nya modeller och metoder för att förstå dessa dynamiska processer. Utvecklingen inom detta område har gått mycket fort de senaste åren med framförallt experiment som har uppvisat flertalet fascinerande egenskaper i kvantmaterial när de utsätts för olika tidsvarierande drivande krafter. Dock saknas allt som oftast en teoretisk förståelse för dessa fenomen, vilket därmed både hindrar oss från att på ett systematiskt sätt förstå naturen och optimera resultaten för framtida tillämpningar. Genom att skapa förståelse för dynamik i kvantmateria kommer DQM-projektet bidra till att vi i framtiden kan förutspå vart de mest användbara och häpnadsväckande fenomenen uppkommer och också kunna styra dem i detalj.
 
Idag domineras fältet av studier av å ena sidan system där antingen en extern kraft orsakar en påtaglig dynamik eller där dynamiken redan spelar en väsentlig roll i beskrivningen, och å andra sidan av system där det finns betydande energiförluster, så kallade dissipativa system, eller dynamik präglad av stark lokalisering. I DQM-projektet samarbetar för första gången internationellt ledande experter från båda dessa områden för att skapa en enhetlig förståelse för dynamik i kvantmateria. Projektet innehåller framförallt betydande teoretiska delar och flera av nyckelresultaten kommer också att testas experimentellt med användandet av avancerad utrustning.