Framtidens Lågdimensionella Skyrmionmaterial

Projekttitel: Framtidens lågdimensionella skyrmionmaterial
Huvudsökande: Yasmine Sassa, avdelningen för molekyl- och kondenserade materiens fysik
Beviljade medel: 3 400 000 för perioden 2017-2021
Finansiär: Etableringsbidrag från Vetenskapsrådet

Projektbeskrivning

Viktiga tekniska genombrott har historiskt sett alltid varit kopplade till materialutveckling som sträcker sig via sten, brons och järnåldern. Den senaste revolutionen, den elektroniska, ägde rum då halvledar-/datorindustrin ledde världen in i den nuvarande kisel och kommunikationsåldern. Men vi har nu nästan nått gränsen för den rådande materialteknologin, vilket är uppenbart från stagnerande och uteblivna framsteg inom t.ex. datorkraft/datalagring, energiteknik, och biosensorer. För att kliva in nästa ”materialålder” kommer vi utan tvekan att behöva utveckla en ny serie av högteknologiska magnetiska material.

I detta projekt kommer jag att fokusera på en grupp av magnetiska oxidmaterial (så kallade skyrmioner i övergångsmetalloxider), som liksom de flesta oxider är mycket stabila föreningar. Sådana material uppvisar ett brett spektrum av unika och lovande egenskaper för framtida tillämpningar. Några exempel är deras förmåga att överföra el utan energiförluster (supraledning), exotiska magnetiska egenskaper som kan utnyttjas för effektiv spinn-elektronik (s.k. spinntronik) och kvantdatorer, samt transparenta elektroder som används i effektiva displayer och solceller. Här kommer vi framför allt att fokusera på materialens unika magnetiska egenskaper som uppstår vid ytor och gränsskikt. Men innan vi kan börja använda dessa material på ett effektivt sätt måste vi först förstå och optimera deras funktionalitet. För sådana ändamål har forskare (inklusive jag själv) nu utvecklat nya experimentella metoder/verktyg för att med mycket hög upplösning kunna studera vad som faktiskt händer i materialet när det används under olika förhållanden (temperatur, tryck etc.). Här gör Sverige just nu extraordinära investeringar i sådan forskningsinfrastruktur med Max IV laboratoriet och ESS-anläggningen i Lund, som båda kommer att bli världens mest avancerade materialmikroskop. Dessa laboratorier kommer att ge svenska forskare och industri enastående möjligheter för att studera och förstå materialegenskaper och processer. För mitt forskningsprojekt kommer jag att använda mig av dessa metoder för att i detalj studera materialens minsta byggstenar (atomer), deras laddningar (elektroner) och magnetiska bärare (spinn). Om vi kan förstå hur dessa byggstenar ordnar sig, rör sig och interagerar, då kan vi också förutsäga hur materialen kommer att fungera i framtida applikationer. Det kommer också att ge oss möjligheter till att optimera materialens egenskaper och funktionsprestanda genom att göra systematiska förändringar i dess struktur och kemiska sammansättning.

Ett parallellt mål med projektet är att utveckla processer för tillverkning av materialen i form av mycket tunna filmer. Skälet till detta är trefaldigt: (1) Framtida användning av dessa material kommer i huvudsak vara i form av komponenter starkt kopplade till dagens mikrochips och liknande högteknologisk industri. Här är produktionen redan sedan lång tid tillbaka baserad på tunnfilmstekniker. (2) Genom att studera materialen som tunnfilmer får jag bättre möjligheter för optimering av materialegenskaper genom finjustering av kemisk sammansättning, filmens struktur samt dess ytor/gränsskikt. Slutligen (3) är kopplat till att grundläggande fysiska lagar kan förändras när dimensionen av en bit material reduceras till nära storleken på naturens byggstenar (atomerna), dvs. 0,000000001 meter = 1 nanometer. Vid sådana små längdskalor, nanonivå, uppkommer så kallade kvanteffekter. Dessa fenomen ger i sin tur upphov till en serie av exotiska egenskaper som tillåter helt nya användningsområden t.ex. kvantdatorer med näst intill oändlig kapacitet eller obrytbar kvantkryptering. För de magnetiska material (skyrmioner) som är fokus i detta projekt är förståelsen av sådana kvanteffekter en av huvudingredienserna för att möjliggöra framtida applikationer.

Sammanfattningsvis kommer jag under detta projekt att utveckla en ny grupp av högteknologiska magnetiska nano-material som kan användas i nästa generations elektronik/spinntronik, energianordningar och biosensorer. Min långa erfarenhet från att arbeta inom detta område tillsammans med Svensk etablering av världsledande forskningsinfrastruktur gör mig övertygad om att mitt projekt kommer att ge ett värdefullt bidrag till detta viktiga forskningsområde.