Light-matter Interaction in the Ultrafast Regime

Huvudsökande: Anna Delin, KTH
Medsökande: Hermann Dürr, FREIA, Olle Eriksson, materialteori, Uppsala universitet och Olof Karis, röntgenfysik, Uppsala universitet och MAX IV
Beviljade medel: 25 200 000 SEK under fem år
Finansiär: Projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse

Projektbeskrivning

Vad händer – på mikroskopisk nivå – när en stark laserpuls träffar ett material? Intressant nog kan man med en laser- eller ljuspuls tillfälligt omvandla en halvledare till en metall, eller skapa ett magnetiskt material av ett omagnetiskt. Enligt vissa forskningsresultat kan man även skapa supraledande material och topologiska magnetiska virvlar, så kallade skyrmioner på det här viset. Men hur går det till? Och varför beter sig materialen så här? Bland annat dessa frågor tänkte vi fokusera på i detta projekt, som heter LIGHTMATTER.

För att svara på dessa frågor behöver man undersöka hur elektronerna rör sig, och eftersom de rör sig väldigt snabbt behövs ultrasnabb laserteknologi för att kunna observera elektronernas rörelser experimentellt. Vi kommer att undersöka den fundamentala kopplingen mellan materialets struktur och dess svar vid ultrasnabba processer, dvs. förlopp som sker på en tidsskala av femtosekunder. En femtosekund är ett mycket kort ögonblick: En femtosekund förhåller sig till en sekund som en sekund förhåller sig till ungefär 32 miljoner år, och en ljusstråle hinner på en femtosekund tillryggalägga en sträcka som motsvarar diametern hos ett typiskt virus.

Av speciellt intresse för LIGHTMATTER är material där elektronernas rörelser är starkt korrelerade med varandra, där kopplingen mellan elektronens spinn och dess rörelse i rummet är stark (så kallad stark spinn-ban-koppling) samt lågdimensionella material, särskilt tvådimensionella magnetiska material. Material med kirala tillstånd och icke-trivial topologi är ett högaktivt forskningsområde och i vårt projekt kommer vi studera sådana system för att undersöka om ultrasnabba ljuspulser kan inducera topologiska tillstånd i elektronstrukturen. Ultrasnabb elektrondynamik har varit ett aktivt forskningsfält de senaste tjugo åren men flera centrala frågeställningar står fortfarande outredda. Med vårt projekt vill vi utveckla och använda ledande experimentella och teoretiska metoder, för att svara på ännu obesvarade grundläggande frågeställningar om dynamiken i hur ljus och materia, specifikt elektroner, växelverkar i det extrema fallet med ytterst stark elektromagnetisk strålning. Förutom grundläggande frågeställningar vill vi undersöka fenomen som kan kan bilda grunden för framtida tillämpningar.

En viktig del i arbetet är utvecklingen av nya förbättrade experimentella och teoretiska metoder. Genom att förstå fysiken hos de laserdrivna tillstånden är LIGHTMATTERs vision att i slutändan kunna manipulera de mikroskopiska parametrarna som styr det kvantmekaniska tillståndet och på så sätt skapa nya, designade, tillstånd av materia på begäran. Kunskapen som skapas i LIGHTMATTER är central för att möjliggöra nästa generations teknologi som t.ex. kvantbaserade datorer, förlustfri spinntronik och minnesteknologi för neuromorfiska datorer.