Wallenberg Academy Fellows

Nya teorier banar väg för framtidens material

Många av de stora förändringar vi ser i samhället, inte minst inom IT och elektronik, har varit möjliga tack vare utveckling av nya material med nya egenskaper. Johan Nilssons teoriforskning ökar förståelsen för en grupp material med mycket speciella magnetiska och supraledande egenskaper.

Johan Nilsson vet hur det känns att befinna sig i forskningsfronten. Efter civilingenjörsexamen i teknisk fysik vid Chalmers blev han år 2003 doktorand vid Boston University i USA. Hans handledare, professor Antonio Castro Neto, var en av pionjärerna i forskningen om grafen som tog fart ett par år senare. Grafen är ett extremt tunt och starkt kolmaterial. Det är också böjligt och elektriskt ledande. Kort sagt ett supermaterial med stor potential.

– Antonio Castro Neto förstod tidigt att grafen skulle bli stort och släppte allt annat, och jag fick vara med på det tåget. Det var hemskt spännande att vara med från början i ett forskningsfält som bara växer. Min avhandling handlade om elektrontransport i tvålagersgrafen.

Grafen upptäcktes 2004 av forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov, bara sex år senare fick de Nobelpriset. Många miljarder kronor har sedan upptäckten investerats i forskning om grafen och utvecklingen har gått exceptionellt snabbt.

– Forskningsfältet ser helt annorlunda ut idag, nu är det mer inriktat på olika tillämpningar av materialet.

”Tack vare stödet från Stiftelsen har jag möjlighet att lägga mer tid på de här svåra men spännande forskningsproblemen och testa nya infallsvinklar. Det ger mig också en chans att bygga upp en lite större forskargrupp än vad som annars hade varit möjligt.”

Nytt spår i Leiden

Efter fyra intressanta år i Boston bytte Johan Nilsson forskningsspår, han ville tillbaka till Europa och tillbringade två år i Nederländerna som postdok på universitetet i Leiden. Även där hade han en mentor med näsa för forskning som kan få stort genomslag.

– Jag har verkligen haft tur på det sättet. I Leiden forskade jag om så kallade Majoranafermioner. Det var ett område som började komma då och som också har vuxit väldigt mycket.

Majoranafermioner är kvasipartiklar som än så länge bara finns i teorin. Men det finns starka skäl att de existerar som effektiva partiklar i vissa supraledare, material som leder ström utan motstånd, menar Johan Nilsson, som flyttat hem till Sverige och nu forskar vid Uppsala universitet.

Hans kontor finns i ett av de små röda trähusen intill Ångströmlaboratoriet. Med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse bedriver han numera avancerad teoriforskning om starkt korrelerade elektronsystem, ett viktigt område inom materialfysiken.

– Det mesta jag gjort handlar om elektroner i material. Men kanske inte den allra mest mikroskopiska beskrivningen, jag är mer intresserad av koncepten och modellteorier. Innan jag började med grafen i Boston höll jag också på med starkt korrelerade system, så det är inte ett nytt område för mig.

Elektroner bestämmer egenskaper

Starkt korrelerade system är en del av det fysikerna kallar den kondenserade materiens fysik, där man studerar grundläggande egenskaper hos fasta ämnen eller vätskor.

Egenskaper hos de material vi omger oss med bestäms till stor del av deras elektronstruktur och partiklars växelverkan. Det kan till exempel handla om magnetiska och optiska egenskaper. Starkt korrelerade system är en grupp speciella material med ovanliga magnetiska och supraledande egenskaper. Elektronerna i dessa material är mycket starkt beroende av varandra, korrelerade, vilket gör att de inte går att använda samma teorier för att beskriva dem som för en vanlig metall till exempel.

– För metaller finns det bra fysikaliska standardteorier som kan användas för att beskriva och beräkna partiklarnas växelverkan i materialen. Men de fungerar inte för starkt korrelerade system, eftersom de beter sig annorlunda.

Forskningen går ut på att förbättra de fysikaliska teorier som används för att beskriva dessa materials egenskaper på atomnivå. Med bättre matematiska beskrivningar kan materialens potential utnyttjas fullt ut i framtiden, hoppas Johan Nilsson. Effektivare datorer och smarta fönster är exempel på tänkbara användningsområden.

– Vi försöker hitta nya infallsvinklar och mer detaljerade sätt att beskriva rörelseenergin och växelverkanskrafterna i de här starkt korrelerade systemen.

Automatiserar beräkning

Ett exempel på starkt korrelerade system är så kallade Mott-isolatorer som kan variera mellan att vara en metall och en icke-ledande isolator beroende på temperaturen. För att beskriva Mott-isolatorer används idag Hubbardmodellen, en av de mest berömda modellerna för att beskriva elektroners växelverkan, berättar Johan Nilsson.

– Vår forskning syftar till att utveckla ytterligare en dimension, nya approximationsmetoder, som kan användas på de här konventionella modellerna så att det går lättare att få mer pålitliga resultat.

Johan Nilsson har också börjat utveckla en metod som kan automatisera vissa delar av beräkningarna, som ofta är lite tunga att arbeta med.

– Kan man få hjälp av datorn att göra vissa steg så är det bra.

Om materialen han studerar blir lika heta som grafen återstår att se. Tålamod är bra ha för en teoretisk fysiker, och det har Johan Nilsson. Man vet aldrig när genombrotten kommer.

– Mina doktorander är också väldigt viktiga i arbetsprocessen, de är dem jag pratar och bollar idéer med. 

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström