Annons

Maxad lampa

Vågad form. Norska arkitekthuset Snøhettas förslag försöker fånga fysikernas dröm.

Maxad lampa

Fysikernas superinstrument blir Sveriges största enskilda infrastruktursatsning någonsin.

Annons

Publicerad:

2011-02-01

Den syns ännu inte, men fysikernas drömmaskin har nyligen börjat ta form på den skånska slätten. Max IV, som den heter, kommer att lysa med världens mest briljanta stråle, på alla sorters kristaller, molekyler och atomer.

– Livet och materialen, det är vad Max IV ska syssla med, sammanfattar laboratoriets biträdande föreståndare fram till i höst, fysikprofessor Svante Svensson.

Och vad är bättre att titta med än ljusstrålar. Ju kortare ljusets våglängd är, desto fler detaljer får man syn på. Kortvågigare strålning är också energirikare, vilket innebär att strålen tränger djupare in bland atomer och molekyler. Och dessutom: ju mer ljus, desto snabbare en skarp bild av föremålet utan att det blir förstört.

Max IV är en anläggning för att producera ljus, så kallat synkrotronljus som sänds ut av elektroner när de rusar fram med nästan ljusets hastighet längs en böjd bana. Laboratoriet är alltså ett slags lampa, fast till skillnad från andra lampor sänder Max IV ut mycket intensiva och riktade strålar. Från att främst ha varit fysikernas instrument, är nu synkrotronljus i lika hög grad användbart för många andra som har upptäckt fördelen med röntgenstrålar.

Fysiker tittar på materialytor, biologer på virus och proteiner, medicinare skräddarsyr molekyler för läkemedel, kemister studerar katalytiska förlopp. Nanopartiklar ska designas och proteinernas struktur blottläggas, vilket är detsamma som att avslöja deras sätt att fungera. Det hårda röntgenljuset kan till och med tränga in i atomerna och avslöja både den levande och döda materians hemligheter. Och eftersom röntgenljuset varierar över olika våglängder kan man välja ut just den stråle som passar ens ändamål bäst.

– Att bygga forskningens infrastruktur är som att bygga järnvägar – man kanske tror att man bygger ett spår för att frakta kol, men sen visar det sig att det blev bananer, säger Svante Svensson.

Så nu ska det byggas ett spår för elektronerna som ska färdas med 99,999999995 procent av ljusets hastighet. I en ring med 528 meter i omkrets ska elektronerna fara runt. Ringen är tömd på all luft, så att de inte krockar i onödan och saktar av. En del hamnar i väggarna ändå, och ringen måste ständigt fyllas på med nya elektroner.

Att hålla elektronerna i ständig rörelse är en konst i sig – enligt Einsteins relativitetsteori blir de 6 000 gånger tyngre när de susar runt med en hastighet som nästan är den högsta möjliga i världen. På vägen tvingas elektronerna att ta sig igenom fiffigt arrangerade magneter som får dem att svänga i en minislalombana. Det är då elektronen skickar i väg synkrotronljuset. Vid varje krök går en ljuskägla ut, och så buntas ljusknippen ihop till en smal och mycket vass röntgenstråle.

– I Max IV är den inte bredare än ett hårstrå, finast i hela världen, säger Svante Svensson och drar ut ett strå ur skallen för att förtydliga.

Max IV är nästa steg i utvecklingen som påbörjades i Lund 1985 med den första synkrotronljusringen, Max I. Så småningom, 1995, kom Max II, och senare även den lite mindre Max III. Där testas en del av de tekniska uppfinningar som nu kommer till användning i Max IV.

Synkrotronerna används flitigt, och efterfrågan har bara vuxit med tiden – elektronerna får jobba oavbrutet 300 dygn om året och forskargrupperna står i kö för att få komma till Lund och utnyttja strålen för sina försök. Synkrotronljusstrålar är en bristvara i forskarvärlden i dag.

– Alla synkrotronljuslaboratorier i världen har ungefär ett års kö, trots att det ständigt byggs nya ljuskällor, berättar Nils Mårtensson, föreståndare för Maxlaboratoriet fram till i höst. På Max II har vi drygt 800 användare per år dygnet runt. Cirka hälften av ansökningarna måste vi säga nej till.

Jämfört med sin äldre bror Max II, vars ljusknippe är tio gånger bredare, kommer Max IV att leverera mycket starkare och energirikare röntgenstrålar.

– Med Max IV kommer vi faktiskt att nå den fysikaliska gränsen för vad synkrotrontekniken och naturen tillåter, säger Nils Mårtensson.

Ju smalare stråle desto skarpare bild. Men när strålen blir så smal som dess våglängd, uppstår effekter av ljusets avböjning, diffraktion, och bilden suddas ut.

– Nästa steg efter Max IV blir därför en helt annan apparat, en frielektronlaser som sänder extremt korta pulser av högenergetisk röntgenstrålning, säger Nils Mårtensson. Det förbereder vi oss för i framtiden på Max IV, men det är en helt annan historia.

För både honom och kollegan Svante Svensson är det nya laboratoriet att se sin livsdröm gå i uppfyllelse. Så det är klart de jobbar dygnet runt, satsar hårt.

– Det är inget vanligt bygge, påpekar Svante Svensson, det är vår passion. Vi tillhör ett gäng spektroskopister som doktorerade i Uppsala hos Kai Siegbahn på 1970-talet. Redan då klurade vi på hur mycket som skulle kunna göras om det bara gick att manipulera ljusstrålarna: välja olika våglängder, göra pulsat ljus, cirkulärpolarisera det och göra annat mer avancerat. Sedan dess har röntgenstrålningens briljans ökat 100 miljarder gånger!

Också Kai Siegbahn, fysikprofessor i Uppsala, förvaltade en lång svensk tradition att bygga instrument för spektroskopi, vilket betecknar de olika tekniker som utnyttjar ljus eller partiklar för att studera materia. En av de första att använda sig av spektroskopiska metoder var Anders Ångström, även han Uppsalaprofessor, men i mitten av 1800-talet. Enheten ångström, (1 Å = 10 miljarddelar av en meter) som används i spektroskopin är uppkallad efter honom; avståndet mellan atomerna i ett fast ämne är typiskt några ångström.

Upptäckten av röntgenljus för drygt hundra år sedan inledde röntgenstrålarnas karriär i konsten att belysa materiens hemligheter. Kai Siegbahns far, Manne, belönades 1924 med Nobelpriset i fysik ”för hans upptäckter och forskning inom röntgenspektroskopins område”.

Så togs stafettpinnen över av nästa gigant på området, sonen Kai Siegbahn. Fysiska institutionen blev platsen där den moderna elektronspektroskopin och nya vetenskapliga instrument utvecklades från grunden. Drygt 180 fysiker disputerade vid Uppsalainstitutionen under Kai Siegbahn. Själv fick han familjens andra Nobelpris i fysik 1981 ”för hans bidrag till utvecklingen av högupplösande elektronspektroskopi”.

Siegbahns allt överskuggande tanke var att höja upplösningen, vad än andra sa. Och mycket riktigt – med bättre upplösning uppenbarade sig nya företeelser och många gamla uppfattningar kullkastades.

En sådan gammal övertygelse var till exempel att man inte skulle få se några rörelser när en molekyl sattes på en materialyta. Men se, Nils Mårtensson lyckades visa att så var det inte – den rörde sig.

– E pur si muove!, och likväl rör den sig. Svante Svensson upprepar frasen som Galileo sägs ha uttalat inför inkvisitionens domstol om att jorden kretsar kring solen. Den fick han betala dyrt för. Men vår världsbild blev aldrig som den varit förut. Om det nu blir lika omvälvande upptäckter med Max IV återstår att se.

En svensk framgångssaga

  • 1944 De ryska fysikerna Dmitri Ivanenko och Isaak Pomeranchuk förutsäger existensen av synktronljus.
  • 1947 får tre fysiker vid General Electrics nybyggda accelerator tekniska problem. De för in en spegel i röret där elektronerna accelereras och bländas av en intensiv ljusbåge. Synkrotronljuset har upptäckts.
  • 1956 observeras en intensiv ljusstråle från den elliptiska galaxen M 87. Strålen bildas när högenergetiska elektroner rör sig i spiralformade banor längs magnetiska kraftlinjer. För första gången har man sett synkrotronljus i naturen.
  • 1962 Första elektronacceleratorn Lusy byggs i Lund. Så småningom byggs forskningsstation som utnyttjar synkrotronljuset från Lusy.
  • 1981 Den första specialiserade synkrotronljusringen står färdig i Daresbury, England.
  • 1983 börjar bygget av Max I i Lund.
  • 1987 invigs Max I med en lagringsring på 32 meter i omkrets.
  • 1990 I Grenoble uppförs den europeiska anläggningen ESFR med en 800 meter lång lagringsring. Två liknande projekt genomförs i Japan och USA.
  • 1992 Byggstart för Max II. Den nya lagringsringen har en omkrets av 96 meter och kopplas till Max I. Max II invigs 1995 av Carl XVI Gustav.
  • 2007 Max III, en ring med 36 meters omkrets står färdig för experiment. I den testas också teknik som kan användas i Max IV.
  • 2009 Finansieringen av Max IV klar.
  • 2010 Byggstart för Max IV.
  • 2015 Max IV färdig att börja användas. Den består av två ringar, en med en omkrets på 96 meter och en stor ring med 528 meters omkrets.

Forskning & Framsteg berättar om fackgranskade forskningsresultat och om pågående forskning. Våra texter ska vara balanserade och trovärdiga, och sätta forskningsresultaten i sitt sammanhang för att göra dem begripliga. Forskning & Framsteg har rapporterat om vetenskap sedan 1966.