Framtidens magnetiska material

Omkring 80 procent av all världens information är lagrad i ett magnetiskt medium, som datorer, mobiltelefoner och digitalkameror. Men tillgången på råvara kan bli ett framtida problem. Dessutom ställs nya krav på ökad lagringskapacitet och snålare energiförbrukning. Olle Eriksson är forskaren som försöker förutspå framtidens magnetiska material.

Högt uppe under takåsarna på Ångströmlaboratoriet kan Olle Eriksson skåda ut över Uppsala. Men oftare betraktar han världen i atomskala. Här finns en av världens främsta miljöer inom materialteori med ett stort världsomspännande nätverk och omkring 100 samarbetspartners. Med hjälp av matematiska modeller och datorsimuleringar studerar man bland annat magnetiska material för att teoretiskt förutspå egenskaper som hårdhet och dynamik.

I nuläget baseras magnetiska material med stor hårdhet på sällsynta jordartsmetaller, som exempelvis neodym. Omkring 90 procent av alla gruvor med sådana metaller finns i Kina och priserna stiger i höjden. Råvarutillgången kan bli ett framtida problem.

– Det gäller därför att hitta nya metallkombinationer. Vi kan med mycket god noggrannhet utföra teoretiska beräkningar och göra sökningar med större hastighet än vad man kan göra experimentellt. Förhoppningen är att vår forskning leder fram till material med motsvarande egenskaper eller till och med bättre material, säger Olle Eriksson.

Databas med mönsterigenkänning

Lämpliga materialkandidater vaskas fram med hjälp av mönsterigenkänning. Uppsalaforskarna har skapat en databas baserad på materialens elektronstruktur.

– Vi tittar mycket på hur elektronerna rör sig i material och det är denna elektronrörelse som ger upphov till alla de kemiska bindningar som stabiliserar materialen, och förklarar varför järn är magnetiskt, fönstret är genomskinligt och våra dna-strängar ser ut som de gör för att ta några exempel, förklarar Olle Eriksson.

Elektronstrukturen beskriver materialets egenskaper och kan liknas vid materialets eget dna. Nu har Olle Eriksson och hans kollegor räknat ut elektronstrukturen för över 100 000 material, såsom järn, aluminium, kisel och lagt ut uppgifterna på en hemsida, som vem som helst kan ta del av.

Material kan uppfinnas teoretiskt i datorn innan de sedan prövas experimentellt. Det snabbar på forskningen och gör arbetet mer träffsäkert. Vissa material lämpar sig bättre än andra i magnetiska minnen.

– Vi har till exempel tagit fram en järnkoboltlegering, som vi tror kommer att ha goda egenskaper. Det verifierades av en annan forskargrupp här på Ångströmlaboratoriet, som kunde tillverka materialet i tunna filmer. Men nu vill vi kunna återskapa materialets egenskaper i bulkform och kommer då att samarbeta med kemisterna här i samma byggnad, förklarar Olle Eriksson.

Tar fram nya supraledare

Elektronstrukturen är också av grundläggande betydelse för att förstå andra egenskaper hos material, som exempelvis supraledning. I supraledare kan ström flyta utan elektriskt motstånd. Om supraledare skulle fungera i rumstemperatur vore det lösningen på världens energiproblem och upphovet till en hel rad tillämpningar som idag låter som science fiction: svävande tåg, högspänningsledningar utan elförluster och en ny generation enormt kraftfulla datorer.

Olle Eriksson har tillsammans med kollegan Mattias Klintenberg nyligen tagit fram en lista på drygt hundra material som är potentiellt nya högtemperatursupraledare. Tusentals vetenskapliga artiklar har skrivits om detta fenomen sedan genombrottet 1986, men fortfarande är mekanismerna bakom okända.

– Vi har upptäckt saker som sticker ut och är gemensamma i materialens elektronstruktur. När vi går igenom databasen har vi med hjälp av detta kunnat ta fram en förteckning på nya kandidater. Det är ett gäckande och spännande ämne att försöka lösa supraledningens gåtor. Många har kliat sig i skallen och gett upp, så det vore fantastiskt om det här kan innebära ett nytt genombrott.

Tidigare har inte tekniken varit mogen för mönsterigenkänning. Men nu är datorerna tillräckligt snabba och mjukvaran avancerad nog för att kunna få fram den detaljerade struktur som är nödvändig, och det kan alltså vara grunden till att upptäcka de efterlängtade materialen.

Pusselbitar som förklarar verkligheten

Det var inte självklart att Olle Eriksson skulle bli teoretisk fysiker, men i gymnasiet väcktes hans intresse på allvar. I Uppsala hade han turen att bli doktorand under Börje Johansson, välkänd bland annat som medlem av Nobelpriskommittén för fysik och som blivit en inspirerande förebild och nära kollega. Olle Eriksson har också varit verksam i Los Alamos i USA, tre år som postdok och ett år som gästforskare.

– Det är en fantastisk forskningsmiljö, men miljön här i Uppsala är mycket bättre än vad som kan uppbringas där.

Forskningsresultaten kommer de närmaste åren att kunna leda fram till snabbare, energisnålare och bättre datorer. Tillämpningarna är viktiga, men det är också roligt med grundforskningen.

– Det är kul för oss att bygga modeller som vi tror beskriver verkligheten, och sedan få modellerna verifierade i experiment. Då har vi fått ännu en pusselbit som vi kan lägga till för att förstå hur verkligheten är beskaffad.

Nils Johan Tjärnlund