Fem nya professorer vid Institutionen för fysik och astronomi

Atomers, molekylers och materials fysik binder ihop de minsta tids- och rumsskalorna med de största, och finner tillämpningar i tekniken omkring oss. Min forskning berör laddnings- och materialtransport över ytor och gränsskikt i material – grundläggande processer som i tillämpningar ökar eller förstör effektivitet och livslängd i batterier, solceller och elektronik. Naturliga skalor för dessa transportprocesser är nanometrar, det vill säga en miljarddels meter, cirka tio atomer, och attosekunder (en miljarddels miljarddels sekund, en ljuspuls rör sig längs en atom) till timmar. Jag använder elektronspektroskopi, där energin hos elektroner från atomer, ensamma eller i molekyler och material, som joniserats av röntgenljus bestäms. Röntgenljuset produceras i laboratorieskala eller vid större anläggningar såsom elektronlagringsringar för synkrotronljus, till exempel MAX IV i Lund, eller frielektronlasrar, såsom vid X-FEL i Hamburg. Större anläggningar ger tillgång till en kvalitet på röntgenljuset, vilket tillåter experiment med högre ambitionsnivå och omfång. 

Genom att mäta sekundära processers variation efter tillförsel av röntgenenergi har jag och min forskargrupp kunnat visa att en elektron hoppar från en atom till en yta på hundratalet attosekunder. Denna tid är extremt känslig för både energilandskapet lokalt och kan användas för att studera till exempel hur ett gränsskikt i en solcell förändras över tid. 

För en astronom fungerar natthimlen som en tidsmaskin. På grund av de stora avstånden i rymden kan det ta mycket lång tid för ljuset från avlägsna ljuskällor att nå fram till oss – vi ser dem därför inte i sitt nuvarande tillstånd, utan så som de såg ut för länge sedan. De mest närbelägna stjärnorna kan vi se som de var för bara några år eller årtionden sedan, men för de mest avlägsna astronomiska objekt man i dag känner till har ljuset färdats under mer än tretton miljarder år för att nå fram till oss. På sådana avstånd ser man stjärnhopar, galaxer och svarta hål som existerade när universum bara vara några få procent av sin nuvarande ålder.

I min forskning använder jag dessa extremt avlägsna ljuskällor för att förstå vad som hände i universums barndom – i den epok där de första stjärnorna, galaxerna och svarta hålen bildades. För att fånga in tillräckligt mycket ljus från dessa fjärran himlaobjekt använder vi olika jätteteleskop, både på jordytan och i rymden, för att göra våra mätningar.

Utöver forskningen om universums tidiga epoker har jag även intresserat mig för frågan om det kan finnas liv på andra platser än jorden, och leder ett projekt som spanar efter andra civilisationer i vår hemgalax Vintergatan.

I min forskning undersöker jag hur elektroner i ett elektronmikroskop växelverkar med fasta material. Som teoretiker fokuserar jag på att utveckla nya teorier och effektiva metoder för att simulera hur elektroner sprids, särskilt i magnetiska material och vid atomära vibrationer.

Forskningen bidrar till en djupare förståelse av innovativa experiment som utförs med elektronmikroskop, och därigenom kan vi avslöja egenskaper hos materialen med mycket hög rumslig upplösning – ända ner till enskilda kolumner av atomer. Denna information är ovärderlig inom dagens nanoteknologi, där man ofta utnyttjar ovanliga egenskaper hos gränsskikt mellan två material eller hos nanopartiklar.

De metoder jag utvecklar finner tillämpningar inom flera områden, såsom värmehantering vid utformning av nya integrerade kretsar, magnetiska lagringsenheter eller framtida informationsteknologier under utveckling, exempelvis spintronik, magnonik och orbitronik.

”Att se är att tro”, som det gamla ordspråket säger. Varje år använder cirka 50 000 forskare världen över, inklusive omkring några hundra forskare i Sverige, röntgenfotonstrålar vid synkrotron- och röntgenfrielektronlaseranläggningar (XFEL) för att utforska materiens struktur och dynamik. Tack vare utvecklingen av synkrotronljuskällor har tekniker som proteinkristallografi och röntgendriven katalys i biomolekyler blivit viktiga verktyg inom modern vetenskap.

Tillkomsten av XFEL:er har öppnat dörren för biologisk avbildning med så kallade femtosekundröntgenpulser (en biljondels miljarddels sekund), vilket har revolutionerat strukturbiologin genom att möjliggöra studier av molekyler i rörelse. De tekniska framstegen inom synkrotroner och FEL:er har förändrat hur vi undersöker mikrokosmos – från atomer och molekyler till kvasipartiklar i avancerade material.

Min forskning fokuserar på utveckling av acceleratorbaserade källor till röntgenfotonstrålar med extrem ljusstyrka och ultrakorta pulslängder ned till attosekundregimen, det vill säga en miljarddels miljarddels sekund. Attosekunden är den naturliga tidsenheten i atomernas och molekylernas värld. Vi kan förstå hur kort en attosekund är med hjälp av följande analogi: det finns lika många sekunder i universums historia som det finns attosekunder i en sekund.

Vår värld följer två mycket olika typer av fysikaliska lagar. Materians små, lätta byggstenar lyder kvantmekanikens slumpmässiga regler. Universums storskaliga struktur bestäms av Einsteins relativitetsteori, som beskriver hur ”rumtiden” kröks kring stora, tunga objekt. Min forskning handlar om strängteori, som beskriver fysikens lagar när både kvantmekaniska och relativistiska effekter är viktiga – vilket är fallet i det mycket unga universum, eller det inre av ett svart hål – och som reduceras till Einsteins relativitetsteori vid låga energier.

Strängteori ger modeller för intressant fysik, men med dessa följer nya rumsdimensioner. Jag undersöker hur dessa extra dimensioner kan se ut och hur deras form bestämmer den fyrdimensionella fysiken. Vilka geometrier beskriver den fysik vi observerar i mikro- och makrokosmos? Vice versa, kan strängarnas fysik användas för att öka vår förståelse av geometri och angränsande fält inom matematik? Tillsammans med mina medarbetare utvecklar jag metoder inom fysik, matematik och datavetenskap för att svara på dessa frågor.