5 kvantmaterial som du måste ha koll på

I skolan får man lära sig att tänka på elektroner som individuella små bollar eller energipaket. De snurrar i banor kring atomkärnan, eller vandrar ordnat efter varandra i elektriska ledningar. Men i verkligheten är det rörigare. Elektronerna är inte skötsamma bollar, utan styrs av kvantfysiken. Inuti olika material bildar elektronerna ofta en flock som agerar ihop och ger upphov till helt annorlunda egenskaper än enskilda elektroner har. När elektronerna kopplar extra starkt till varandra kan det dessutom uppstå riktigt speciella fenomen, som supraledning. Då blir kvantfysiken som styr partiklarna synlig på makroskopisk nivå. Alla material är i grund och botten definierade av kvantfysiken. Men när elektronerna kopplar extra starkt till varandra så att kvantfenomenen blir påtagliga talar fysikerna om kvantmaterial – ett område som bjuder på mycket spännande forskning. Här är några exempel:

Topologiska isolatorer

En topologisk* isolator är elektriskt isolerande inuti, men ledande precis på ytan. Det här beror på speciella egenskaper hos kvantfunktionen för elektronerna i materialet. En effekt är att ledningsförmågan skyddas mot störningar, så att oregelbundenheter i materialet inte kan bromsa in strömmen.

Materialets ytskikt har också en annan ovanlig egenskap: elektronernas spinn är låst i förhållande till deras rörelseriktning. Alla elektroner som rör sig i en viss riktning har sitt spinn åt ena hållet, medan de elektroner som rör sig i motsatt riktning har omvänt spinn. Det är en egenskap som forskarna hoppas kunna utnyttja i framtiden.

För tio år sedan lyckades en forskargrupp för första gången framställa en tredimensionell topologisk isolator. Ämnet som användes var vismutselenid, ett grått material som tillverkas industriellt och hade sedan tidigare flera användningsområden. Sedan dess har mycket forskning följt.

– Det är spännande att det är en helt ny typ av materialegenskap som har upptäckts ganska nyligen, säger Oscar Tjernberg, som är professor i materialfysik vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm.

I dag: Framför allt handlar det om ren grundforskning, för att skaffa mer kunskap om materialet. Vismutselenid har dock även egenskapen att det kan skapa en temperaturskillnad när man tillför elektrisk ström, och därför används det i till exempel vinkylare.

I framtiden: De speciella ledningsegenskaperna gör att forskare funderar över möjliga tillämpningar i elektroniska komponenter. Eftersom spinnriktningen hos elektronerna går att kontrollera med hjälp av strömmen, skulle topologiska isolatorer också kunna användas i så kallad spinntronik, elektronik som utnyttjar spinn i stället för elektrisk laddning. Det finns också en möjlig ny typ av kvantdator som skulle kunna använda sig av egenskaperna i en topologisk isolator.

*Topologi är en sorts geometri som beskriver former på ett sätt där kontinuerliga förändringar inte spelar någon roll. Standardexemplet handlar om hur man i teorin skulle kunna knåda om en kaffekopp till en rund bagel, utan att klippa någonstans eller göra nya hål. I topologiska material är det kvantfysikens egenskaper som inte kan ändras på ett kontinuerligt sätt, och därför kan de vara extra stabila, “topologiskt skyddade”. (Se också Nobelpriset 2016 och texten ”Därför är materien som en kringla” i Nobelbilagan som följde med F&F 11/2016.)

Skyrmioner

Magnetfält uppstår så fort elektriska laddningar rör sig. Elektroner som kretsar kring en atomkärna kan ge atomen ett magnetfält, som en liten stavmagnet. Enskilda elektroner är också som små individuella magneter, trots att laddningen inte rör sig i dem – magnetfältet hänger i stället ihop med den egenskap som kallas spinn. När ett stort antal atom-magneter ordnar sig i samma riktning bildas ett magnetfält som märks i större skala, som exempelvis vanliga permanentmagneter, som man sätter på kylskåpet eller plockar upp tappade nålar med.

I dag studerar forskare vilka effekter som uppstår beroende på hur spinnen i magnetiska material organiseras. Ett av de fenomen som utforskas är skyrmioner – nanometerstora virvlar eller bubblor där ett antal partiklars spinn bildar ett mönster. Skyrmioner studeras ofta i skiktade material, där magnetiska material varvas med icke-magnetiska.

– Man har förhoppningar om att skyrmioner ska kunna användas som informationsbärare, eftersom de har unik topologi och kan sägas vara skyddade från yttre störningar, säger Olle Eriksson, som är professor i teoretisk magnetism vid Uppsala universitet.

I dag: Magneter används överallt, från hörlurar till vindkraftverk. Mer avancerade magnetiska effekter används till exempel i läshuvudet på datorns hårddisk.

I framtiden: Riktigt stabila skyrmioner, som kan manipuleras individuellt, skulle kunna användas för att utföra beräkningar och på så vis bidra till energisnålare datorer.

Metall-isolatorövergångar

Metaller har fria elektroner som inte sitter bundna vid en enskild atomkärna, utan kan röra sig fritt i materialet, ungefär som en gas. Det är anledningen till att metaller har god förmåga att leda elektrisk ström.

Vissa speciella material kan förvandlas från ett isolerande tillstånd till ett ledande, genom förändringar i till exempel tryck, temperatur, magnetfält eller elektriska fält. Förändringarna gör att nya kvanttillstånd blir tillgängliga för elektronerna i materialet.

Material som kan knådas om till metaller på det viset har varit kända i decennier, men de är fortfarande inte fullt utforskade.

Ett typiskt material av det här slaget är vanadinoxid, där ledningsförmågan ändras med en faktor 10 000 när temperaturen ändras bara några grader.

– Det är fascinerande när en väldigt liten yttre påverkan ger en mycket stor förändring, säger Oscar Tjernbergprofessor i materialfysik vid KTH.

I dag: Fenomenet att ledningsförmåga kan styras med ett yttre elektriskt fält finns redan i halvledarmaterial, som utnyttjas i till exempel transistorer. Men det bygger på en helt annorlunda fysik. Metall-isolatorövergångar befinner sig fortfarande på ett rent grundforskningsstadium.

I framtiden: Det finns många tänkbara tillämpningar i sensorer, som kan bli extra känsliga eller få extra snabb respons. En metall-isolatorövergång som reagerar på tryck skulle kunna användas i en trycksensor, och så vidare.

Supraledare

I ett supraledande material flyter elektrisk ström helt utan motstånd. Konventionella supraledare fungerar genom att elektroner med motsatt spinn kopplas ihop två och två, genom vibrationer i materialet. De bildar en sorts sammansatta partiklar som kallas Cooperpar och som utåt saknar spinn. Partiklar utan spinn kan ha samma kvanttillstånd, och därför tränger de inte undan varandra på samma sätt som partiklar med spinn gör. Den här speciella soppan av spinnlösa Cooperpar påverkas inte av samma bromsande krafter som enskilda elektroner.

Det här fenomenet upptäcktes i vanliga metaller vid mycket låga temperaturer, till exempel kvicksilver, för över hundra år sedan. Ofta handlar det om endast några få grader över den absoluta nollpunkten (–273 grader Celsius).

Nyare supraledare, som fungerar vid högre temperaturer (hittills upp till –143 grader) har en annorlunda mekanism för hur elektronerna parar ihop sig. Forskarna förstår ännu inte riktigt hur det går till. Materialen består ofta av koppar- eller järnbaserade föreningar, i form av tjocka bitar eller tunna filmer. Det finns många möjliga kombinationer av fyra till sex grundämnen som kan ge supraledning, och ganska få av dem har utforskats. Om forskarna kan förstå materialen i grunden hoppas de kunna skräddarsy material så att det till exempel kan bli supraledande vid varmare förhållanden.

I dag utforskas många ”okonventionella” supraledare. En ny upptäckt är till exempel att supraledning kan uppstå när det platta kolmaterialet grafen läggs i två lager som vrids i vissa vinklar i förhållande till varandra. Men även här krävs mycket låg temperatur. Det finns också topologiska supraledare, som är supraledande inuti men har en metallisk struktur i gränsytorna.

– I topologiska supraledare kan man få ett yttillstånd som beter sig som en halv elektron, och som är sin egen antipartikel. Det kallas för en majoranafermion. Det är ett coolt kvantfenomen, säger Annica Black-Schaffer, som är professor i materialteori vid Uppsala universitet.

I dag: Supraledare används för att skapa mycket starka elektromagneter, som finns i magnetkameror och partikelacceleratorer.

I framtiden: Högtemperatursupraledare skulle kunna användas för att minska värmeförlusterna i elektriska system. Starka förlustfria elektromagneter kunde ge oss magnetisk räls med svävande tåg. De majoranafermioner som kan uppstå i topologiska supraledare är motståndskraftiga mot störningar och kan få användning i kvantdatorer.

Tunga fermionsystem

Under vissa förhållanden kan elektroner uppträda som om de vore upp till 1000 gånger tyngre än de egentligen är. De får då en rörelsetröghet, precis som tunga partiklar. Det här inträffar när vissa elektroner är i ett starkt magnetiskt tillstånd. Andra mer lösa elektroner arrangerar sig så att de skärmar av spinnet. Den ”påklädda” elektronen agerar precis som om den blivit tung.

Fenomenenet har visat sig i flera olika material, bland annat några föreningar med uran. Vissa av materialen har magnetiska egenskaper, andra är okonventionella supraledare (se punkt 4 om supraledare).

Material med tunga fermionsystem är viktiga inom forskningen, eftersom de ger möjlighet att studera flera intressanta kvantfenomen som inte är klarlagda ännu.

– Tunga fermionsystem är ett typexempel på de spännande fenomen man kan få genom kollektiva effekter. Det är själva kärnan i den kondenserade materiens fysik, att more is different och helt annorlunda än de enskilda elementarpartiklarna, säger professor Annica Black-Schaffer.

I dag: Materialen är viktiga i ren grundforskning.

I framtiden: Ingen vet ännu vad de kan få för användning. När elektriciteten upptäcktes visste heller ingen vad den skulle kunna användas till. Några av kvantmaterialens oväntade egenskaper kommer kanske att förbli vetenskapliga kuriositeter, andra kan bli grunden för en helt ny typ av teknik i framtiden.