Teori för ljus- och ströminducerade magnetiska processer

Projekttitel: Teori för ljus- och ströminducerade magnetiska processer
Huvudsökande: Peter Oppeneer, avdelningen för materialteori
Beviljade medel: 3 640 000 SEK för perioden 2022-2025

Människor har använt olika material för att förbättra sitt livsförhållande sedan antiken. Brons- och järnåldern kännetecknades av att människor kunde utvinna dessa metaller och nyttiggöra dem i dagliga livet. Under de senaste decennierna kunde människan utveckla ny kunskap om halvledarmaterial som kisel vilket har lett till ofattbart många förändringar i samhället. Människans förmåga att skräddarsy och utnyttja dessa material har under de senaste årtiondena gett oss, bland många andra uppfinningar, datorer som kan användas för att koda, lagra och manipulera digital information med hög hastighet. Denna revolutionerande utveckling började med grundläggande forskning inom fasta tillståndets fysik, som formade basen för många teknologiska uppfinningar som i sin tur har fört mänskligheten in i dagens digitala samhälle.

Allt mer digital information genereras dagligen som bör lagras och bearbetas. Speciellt i lagringen av informationen möjliggörs kodningen genom magnetisering av materialbitar, så kallade bits, som definierar binära ”0” och ”1”. Magnetiseringen av ett material är i grunden en kvantmekanisk egenskap. Denna egenskap beskrivs mestadels på en väldigt liten rymdskala vilken karaktäriseras av elektronernas så kallade spinnmoment. Dagens teknologi för lagring av information i magnetiska lagringsmedia har dock nått sitt tak både i densitet och i hastighet, därför behövs djupare och nyskapande förståelse om hur man kan kontrollera elektronernas spinn i lämpliga material, vilket i sin tur kan leda till en effektivare lagring och spinnmanipulation. Inom de senaste åren har det visat sig att materialets kvantmekaniska egenskaper kan utnyttjas för att manipulera spinnmomenten med hjälp av tidigare okända verktyg, så som elektriska fält och ljus.

Projektets mål är att utforska hur magnetiska moment i ett material kan förändras både effektivt och snabbt, om möjligt på en ultrakort tidsskala, dvs. inom pikosekunder. Fokus kommer att vara på ovanliga fenomen som upptäcktes nyligen. Ett exempel är Rashba-Edelstein-effekten, vilken teoretiskt förutsäger att ett spinnmoment kan genereras med ett elektriskt fält inom ett material utan inversionssymmetri. För att studera utvalda material kommer ett beräkningsbaserat verktyg att användas, den så kallade density-functional-theory. Teorin har visat att vara ett viktigt tillvägagångssätt för att utforska kvantitativt och exakt olika material som har unika egenskaper t.ex. topologiska tillstånd. För att studera hur spinnmomentet förändras dynamiskt genom elektrisk ström eller ljuspulser kommer kvantdynamisk teori att användas. Projektets resultat kan komma att betyda mycket för vår djupare förståelse av hur ett material kan påverkas av t.ex. externa elektromagnetiska fält på ovanliga sätt, samt har betydelse för teknologiska användningsområden, eftersom nya metoder för att manipulera spinninformation kan leda till utveckling av helt nya former av informationslagringsteknologi.