Projektanslag

Kraftsamling bland teoretiker möjliggör djärva experiment

Snart kan en gammal dröm bli verklighet: att i realtid skåda en kemisk reaktion och på detaljnivå se hur atombindningar skapas och bryts upp. Den hisnande tanken kan bli genomförbar tack vare storsatsningen på synkrotronanläggningen MAX IV i Lund. Men satsningen på nya experiment kräver också en kraftsamling för att hinna utveckla teorierna i samma takt.

Forskare inom alla naturvetenskaper är spända av förväntan. Det byggs nya experimentella forskningsanläggningar som aldrig förr. År 2010 invigdes världens första frielektronlaser, Linac Coherent Light Source vid Stanford University, och 2015 öppnas motsvarande anläggning i Europa, XFEL, utanför Hamburg. Samma år väntas forskningen komma igång vid den nya synkrotronaläggningen MAX IV i Lund.

Mångmiljardsatsningarna ska hjälpa forskarna att studera livets minsta beståndsdelar och universums födelse. Man talar om en ny sorts ”big science”, som knyter ihop många olika discipliner och som kommer att innebära ett paradigmskifte inom fysik, kemi och biologi.

Men för att kunna dra nytta av de nya anläggningarnas vetenskapliga potential gäller det att inte försumma utvecklingen av nya teorier och modeller. Det är grundtanken bakom projektet ”Strong field physics and new states of matter”, som involverar sju forskargrupper vid Linköpings universitet, KTH, Uppsala universitet och Stockholms universitet.

Patrick Norman är professor i teoretisk kemi vid Linköpings universitet och huvudsökande i projektet.

– Vi vill bygga upp en nationell plattform och samla de ledande forskarna i Sverige på den teoretiska sidan. Ambitionen är att teoretikerna ska kunna stå i direkt kontakt med de experimentella forskarna och vara med i designen av experimenten redan från början. Det innebär en betydligt tajtare relation mellan forskarna än vad som annars är brukligt.

Ny spjutspetsanläggning i Lund

Blicken riktas särskilt mot MAX IV i Lund, en ny spjutspetsanläggning som byggs upp med stöd från bland annat Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

I en synkrotron snurrar man runt elektroner i en hastighet som närmar sig ljusets. Nära 530 meter är omkretsen på den nya synkrotronen där elektronerna åker runt som i en slalombana och skickar ut energirik röntgenstrålning i tangentens riktning. Med hjälp av det laserliknande ljuset kan man vid sju experimentstationer längs banan studera hur olika material är uppbyggda, allt från gaser, vätskor och metaller till biologiska strukturer, berättar Patrick Norman.

– MAX IV erbjuder helt nya möjligheter jämfört med sina föregångare. Intensiteten på ljuset innebär att vi får en högre upplösning av material och att vi kan se fler detaljer. Förhoppningsvis kan vi även följa kemiska reaktioner i framtiden. Det har länge varit en dröm hos kemister att få se när atombindningar bryts och skapas, och även vi som teoretiker är oerhört intresserade av att kunna följa sådana sekvenser.

Men för att kunna utföra de djärva experimenten måste man i förväg göra avancerade beräkningar och simuleringar. Det förutsätter kraftfulla datorer. Patrick Norman är också chef för Nationellt superdatorcentrum i Linköping, där en av Sveriges snabbaste dator, Triolith, är placerad.

Supersnabba beräkningar

På utsidan liknar byggnaden som huserar Triolith en ganska ordinär lagerbyggnad, men inuti möts man av en imponerande serverhall med blinkande dioder och ett öronbedövande buller från 1 600 beräkningsservrar med vardera 16 kärnor. Nio kilometer av optiska kablar har dragits för att de skall kunna kommunicera med varandra. Kraften hos Triolith motsvarar drygt 5 000 av marknadens mest avancerade speldatorer.

Forskarna har anpassat sina algoritmer till de moderna superdatorerna. Nu kan man studera problem som har verkligt tekniskt och medicinskt intresse, medan det förut främst handlade om principiella problem. Beräkningar som förut krävde åratal att genomföra kan nu exekveras på bara några dagar.

– När jag började som doktorand en gång i tiden gjorde jag mina första simuleringar på kvävemolekylen, som består av 14 elektroner och 2 atomer. Nu kan vi göra simuleringar av motsvarande noggrannhet på system som kan ha tusentals atomer i sig.

Område med Nobelpristraditioner

Tack vare stödet från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse kan de ledande teoretiska forskargrupperna i landet nu knytas närmare varandra. Det kommer att få en direkt betydelse för tolkningen av nya experimentella data via utvecklingen av nya teorier och modeller. Det innebär också att man främjar nästa generations teoretiker inom röntgenvetenskap, ett område där Sverige har stolta traditioner med bland annat två Nobelpris.

– Vi ser fram emot att den nya plattformen ska stimulera till nya vetenskapliga upptäckter och att man fullt ut kan utnyttja de möjligheter som det nya MAX IV-laboratoriet för med sig, säger Patrick Norman.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström