Teori av moderna spektroskopiska metoder med nanometerupplösning

Projekttitel: Teori av moderna spektroskopiska metoder med nanometerupplösning
Huvudsökande: Jan Rusz, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 640 000 SEK för perioden 2022-2025

Ett elektronmikroskop är en fascinerande apparat. Den tillåter oss att se saker som är för små för våra egna ögon. Och inte bara det, den tillåter oss även att se saker som är för små för optiska mikroskop, exempelvis atomer. Men fysikens lagar på så små skalor är annorlunda än den klassiska fysiken, och kvantfysikens effekter träder in. Om vi ska förstå hur en elektron interagerar med ett prov det passerar genom, måste vi ty oss till kvantfysikens lagar. Dessa tillåter oss att med datorsimuleringar förutsäga hur elektronmikroskopbilder kommer att se ut i verkligheten. Sådana beräkningar och simuleringar hjälper oss att tolka de uppmätta bilderna. Teori spelar därmed en viktig roll inom fältet för elektronmikroskopi.

De flesta elektroner som passerar genom provet behåller nästan all deras kinetiska energi, förutom att de ger en liten ”kick” till atomerna. Med den nya generationen elektronmikroskop kan man studera dessa ”sparkar” och lära sig hur atomer bär värme i nanoskala. Detta är mycket viktigt till exempel i processorer, hjärtan på våra datorer och mobiltelefoner, där ytterligare miniatyrisering utmanas av problem relaterade till värmehantering. För att fullt ut förstå de mikroskopiska mätningarna behöver vi exakta simuleringsmetoder. Vi har en idé om en mycket effektiv metod som uppfyller detta krav. Vi kommer att utveckla denna idé till en mjukvara som är fritt tillgänglig för alla – forskare och industrier.

Vi har en annan överraskande användning av vår metod, och det kommer att leda till ett nytt sätt att studera magnetism. Magnetiska material används i energiomvandling, i leviterande tåg, i bromsar, i datorer, etc. De används mer och mer i nanoteknologi, till exempel hårddiskarna i våra datorer använder små magnetiska öar för att lagra data. De kan vara mindre än 20 nm i diameter (4000 gånger mindre än tjockleken på ett hårstrå). Sådana magnetiska nanopartiklar används också i kemisk katalys, borttagande av tunga grundämnen från avfallsvatten, experimentella cancerbehandlingar och många andra tillämpningsområden. Ett annat område där magnetiska mätningar i nanoskala behövs är spinntronik – det efterlängtade nästa steget inom informationsteknik. Istället för att förflytta elektroner runt de integrerade kretsarna, rör sig ett elektronspinn via vågor som kallas magnoner. Fördelarna kommer att vara otaliga: mindre problem med värmehantering och mycket snabbare processorer. Vår forskning bör leda till upptäckt av en metod för mätning av magnoner i nanoskala. En sådan metod kommer att hjälpa utvecklingen av spinntronik och våra experimentellt lagda kollegor skall testa dessa idéer i praktiken.