Nya magneter för framtidens kvantteknologi

Huvudsökande: Olle Eriksson, materialteori
Medsökande: Biplab Sanyal, Erik Sjöqvist, Vladislav Borisov, Philipp Rybakov, materialteori

Projektbeskrivning

Nästa generations kvantteknologier bygger sin funktionalitet på nya material. I det här föreslagna projektet kommer tre sammanlänkade forskningsinriktningar undersökas, med syfte att identifiera nya material och hitta nya koncept för kvantteknologier. Specifikt föreslås teoretiska studier av informationsbärare med unik topologi, baserade på s.k. icke-Abelska magnetiska strukturer. Dessutom föreslås nya inriktningar inom magnetismens motsvarighet till elektronik, d.v.s. spinntronik där en ny materialklass nyligen har identifierats, de s.k. altermagneterna. Det tredje delområdet som här föreslås bygger på den inneboende kvantmekaniska naturen hos magnetiska material, där den naturliga ekvationen är Schrödingerekvationen, som ju firar 100-årsjubileum under 2026.

Spinnsystem som involverar oparade elektroner är naturliga kandidater för implementering av s.k. kvantbitar, men deras praktiska realisering begränsas kraftigt av förlusten av koherens, d.v.s. den kvantmekaniska egenskap som är en del av ett kvantsystems identitet och som all kvantteknologi bygger på. All okontrollerad växelverkan med en omgivning förstör denna identitet, t.ex. termiska fluktuationer som uppstår vid ändliga temperaturer. Även vid de lägsta temperaturerna kan koherensen hos en kvantbit förstöras via växelverkan med atomens kärnspinn, via den s.k. hyperfinkopplingen (kärn–elektron-växelverkan) som hitintills visats sig omöjlig att kontrollera. Den enda realistiska lösningen är att helt eliminera denna kanal, genom att designa magnetiska elektronsystem i atomer utan kärnspinn. Projektet undersöker därför strategier för att realisera robusta magnetiska material utan kärnspinn som är lämpade för kvantmanipulation.

Ett annat centralt tema inom projektet är topologisk magnetism, med särskilt fokus på s.k. icke-Abelska topologiska tillstånd. Dessa magnetiska strukturer kännetecknas av icke-kommutativ kombinatorik, vilket faktiskt är en aspekt av att en hårfläta håller sin form även om någon drar i den. Dessa magnetiska strukturer erbjuder exceptionella möjligheter för feltolerant informationsbehandling, med ökad stabilitet i lagrad information som möjliggör nya teknologier för magnetisk lagring och magnetiska minnen, där speciellt det s.k. race-track-minnet är av intresse.

Slutligen fokuserar projektet på s.k. altermagneter, som nyligen identifierats som material med antiferromagnetisk ordning där ett totalt magnetiskt nettomoment saknas. Intressant nog kombinerar dessa material avsaknad av magnetiskt nettomoment med elektrontillstånd som har tydlig spinnkaraktär. Altermagneter kombinerar därmed fördelarna hos både antiferromagneter och ferromagneter vilket möjliggör rena, elektroniska spinntillstånd utan störande externa fält. Genom att utveckla en teoretisk förståelse av altermagnetisk spinntronik, och hur den kan integreras med kvantteknologier, kommer projektet att etablera nya möjligheter för lågenergibaserad kvant- och spinnbaserad teknologi. I detta arbete kommer dynamisk medelfältsteori specifikt att användas för att undersöka effekterna av elektronkorrelationer.

Det föreslagna projektet är helt teoretiskt i sin natur och betonar utvecklingen av nya koncept, metoder och design-principer för nya kvantteknologier. Emellertid planeras inom projekttiden etablerandet av ett starkt samarbete med experimentella grupper i fältet, för att säkerställa genomförbarhet och vägleda experimentell verifiering av de erhållna resultaten.