Koherent kontroll av materialens tillstånd

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Koherent kontroll av materialens tillstånd
Huvudsökande: Oscar Grånäs, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 000 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Etableringsbidrag från Vetenskapsrådet

Solida material kan förekomma i en mängd tillstånd, eller faser, som karaktäriseras av till exempel dess elektriska, optiska och magnetiska egenskaper. Man kan alltså förändra dessa egenskaper genom att förändra materialets fas, och använda denna förändring i teknologiska tillämpningar. Det som bestämmer vilken fas ett material uppvisar är växelverkan mellan elektroner och atomkärnor samt pålagda elektromagnetiska fält. Genom att förstå hur faserna i materialet ändras, får man djupa insikter i balansen mellan dessa interaktioner.

Vågfenomen, så som elektromagnetiska fält och kvantmekaniska vågfunktioner, karaktäriseras av individuella vågor samt deras kollektiva förhållanden och interaktioner. De individuella vågorna karaktäriseras av amplituder och frekvenser medan deras inbördes förhållande, om de är ”i takt” eller inte, är avgörande för om man ska ha positiv eller negativ interferens när många vågor läggs till varandra. Om vågorna är i takt kallas de koherenta, exempel på ett koherent fenomen är laserljus. Elektroner i material karaktäriseras av sin kvantmekaniska vågfunktion. Då elektroner är elektriskt laddade kan man påverka deras vågfunktion med elektromagnetiska fält, dvs. ljus.

I ett material har man ett otroligt stort antal elektroner, som i sin tur växelverkar med atomkärnor, laddade partiklar som också svänger fram och tillbaka. Det stora antalet partiklar och deras växelverkan gör att det är otroligt komplicerat att bestämma de elektromagnetiska fält som krävs för att påverka elektronerna effektivt, och hur dom i sin tur påverkar det omgivande materialet. De mest intressanta fallen uppkommer dessutom då den här växelverkan är stark, då uppvisas nämligen fenomen som supraledning, magnetism och ultrasnabba resistansförändringar.

Om man använder ett elektromagnetiskt fält där alla vågpaket är i takt, dvs. koherent ljus, och som har tillräcklig intensitet för att få specifika elektroniska frihetsgrader dit man vill innan de hinner interagera med andra elektroner och atomkärnor kan man minimera den energi som krävs för att utföra ett visst arbete.

I det här projektet undersöker vi hur korta laserpulser kan användas för att ändra materials tillstånd genom koherent modulering av elektronernas tillstånd. Det åstadkoms genom att avancerad mjukvara används för att simulera processen. Genom att använda reglerteori och optimeringslära kan pulserna skräddarsys genom iterativa datorsimuleringar. Då ett flertal approximationer måste användas för att beskriva de kvantmekaniska fenomenen i materialen är en viktig komponent i det här projektet samverkan med experimentella grupper som kan testa de optimala fälten i praktiken. Utvecklingen av laserteknik har nu nått den nivå att i princip alla elektroniska tillstånd kan drivas koherent, bara vi visste hur det skulle göras.

Målsättningen med projektet är att färdigställa och använda ett ramverk för att beräkna frekvens och form på laserpulsen så att den energi som används för att uppnå avsedd effekt minimeras. Genom detta kan vi lära oss om den intrikata växelverkan mellan partiklarna i materialet, och externa fält, samt lära oss att utnyttja material och processer i materialen så effektivt som möjligt.