Hon lägger grunden för kvantmekaniska innovationer

Kontorsrummet i ena hörnet av Ångströmlaboratoriets hus 9 är ljust och trivsamt med stora fönster ut mot Kronparken. På ena väggen syns en skrivtavla täckt av formler och ekvationer, och bredvid ett avlångt skrivbord står ett bord och stolar.

– Det är bra för det finns gott om plats för gäster, speciellt när medlemmar i min forskargrupp kommer hit och vill diskutera olika forskningsproblem, säger Annica Black-Schaffer.

Hennes forskargrupp består idag av 12 personer, 6 doktorander och 6 postdoktorer, samt några masterstudenter. Forskningen är inriktad mot så kallad kondenserad materia, vilket är material i fast eller flytande form, som i sin tur avgörs av vilka kemiska bindningar eller strukturer de har. Målet är oftast är att förstå olika materialegenskaper genom att analysera hur elektroner rör sig i strukturerna.

Modeller grundläggs med penna och papper

Speciellt är gruppen intresserad av material där kvantmekaniska effekter blir dominerande. För att lyckas med att beskriva sådana kvantmaterial är det bäst att börja med så enkla modeller som möjligt, berättar Annica Black-Schaffer.

– Ofta gör vi en kombination av analytiska och numeriska beräkningar. Först med penna och papper och sedan låter vi datorn lösa ekvationerna.

Forskargruppens fokus ligger på hur elektroner beter sig i framförallt i så kallade supraledare. När elektroner kommer i kontakt med andra elektroner uppstår växelverkan och om materialet kyls ner, i bland till nära nollpunkten - minus 273 grader - kan denna växelverkan ge upphov till att elektrisk ström kan flöda helt utan motstånd. Materialet har då förvandlats till en supraledare.

– När elektronerna samverkar på detta sätt så hamnar de i samma så kallade kvanttillstånd. På så sätt kan materialet leda elektrisk ström helt utan värmeförluster och därmed inga energiförluster. Det skulle i framtiden helt kunna lösa problemen med elöverföring. Men än så länge är tekniken och kostnaderna för nedkylning för dyr, även om det ibland räcker med flytande kväve, säger Annica Black-Schaffer.

Stor mängd användningsområden

Att identifiera material som kan fungera som supraledare utan sådan kraftig nedkylning vore en dröm. Forskare har försökt hitta sådana material, men hittills utan resultat. Om forskarna kan lista ut vad som får elektroner att hamna i samma kvanttillstånd även vid rumstemperatur kan supraledare utnyttjas mycket mer än vad som görs idag, enligt Annica Black-Schaffer.

En spännande tillämpning är också kvantdatorer som har enormt stor beräkningskapacitet. Bland användningsområdena nämns skräddarsydda läkemedel, satellitkommunikation och datakryptering.

– Tyvärr tenderar kvantmekaniska fenomen att vara extremt känsliga för allt: damm, höga temperaturer eller andra störningsmoment och det gör dagens kvantdatorer mycket känsliga. Men finns det idéer om att använda en speciell sorts supraledare, en så kallad topologisk supraledare, för att få fram en robustare kvantdator, säger Annica Black-Schaffer.

Lång rad anslag och utmärkelser

En topologisk supraledare kan ha Majoranafermioner. Dessa partiklar uppför sig som halva elektroner trots att elektronen i sig egentligen är odelbar, förklarar Annica Black-Schaffer. Alltså har elektronen här en förmåga att helt dela sig och därmed till synes befinna sig på två helt olika ställen samtidigt. Sådana kvantmekaniska effekter ger hopp om att kunna skapa en robust kvantdator eftersom den inte är känslig för vanliga störningar som vanligtvis är lokala.

Men det är i grundforskningen och inte tillämpningar som Annica Black-Schaffers stora intresse ligger. Under åren har hon fått ta emot en lång rad anslag och utmärkelser. Särskilt uppskattar hon dock det anslag hon beviljades 2010 av Vetenskapsrådet för att bli forskarassistent vid Uppsala universitet.

– Att jag fick egen finansiering för fyra år på ett lärosäte i samma stad där jag bodde var bra. Annars vet jag inte vad som hade hänt. Så det anslaget är jag väldigt tacksam över.

Administrativt ansvar

En annan milstolpe i karriären var utnämningen till Wallenberg Academy Fellow 2014. Plötsligt fick hon mer resurser och stöd till sin forskargrupp och även ett mentorskapsprogram, och kunde också förbereda en ansökan till Europiska forskningsrådet, ERC. 2017 fick hon ett ERC Starting Grant och 2022 följde ett ERC Consolidator Grant. 2024 blev hon även utnämnd till Wallenberg Scholar.

Även om stor talang och hårt arbete uppenbart ligger bakom framgångarna säger hon själv att hon haft mycket tur.

– Jag tror även man måste ta vara på chanser när de presenterar sig. Var väl förberedd och tacka ja till möjligheter som presenterar sig.

Att kunna planera är också något som kommer väl till pass i hennes roll som biträdande prefekt för forskning på institutionen för fysik och astronomi. Åtminstone halva arbetsveckan går åt till administrativa ärenden samt uppdrag i styrelser och kommittéer. Eftersom hon även är gift med fakultetens forskningsdekan David Black-Schaffer, professor i datorsystem, tenderar jobbet att också spilla över på fritiden.

– Men forskningsmässigt är vi så pass olika så det pratar vi nästan aldrig om. Fast det kan bli en del organisatoriska frågor om att handleda doktorander och så vidare. Där kan vi få inspiration av varandra.

Nytt projektspår inom supraledning

Annica Black-Schaffer träffade sin man på Stanford-universitetet i Kalifornien, USA, dit hon åkt som utbytesstudent från civilingenjörsprogrammet i teknisk fysik och elektroteknik vid Linköpings universitet. Senare blev hon antagen som doktorand i kondenserade materiens fysik vid Stanford. 2009 flyttade forskarparet tillbaka till Sverige.

I sitt nuvarande ERC-projekt följer hon ett nygammalt spår. Projektet fokuserar på supraledning i inhomogena system, där materialet har en inneboende oordning. Det knyter även an till det ämne hon disputerade på i Stanford: supraledning i grafen, men nu hur det kan till exempel framkallas av så kallade moirémönster i grafen.

– Om man tar två lager av rent kol och vrider de i en liten vinkel gentemot varandra så kan de bli supraledande. Nu när jag börjat jobba på grafen igen är cirkeln till viss del sluten. Åtminstone för tillfället, säger hon och fortsätter:

– Men inom det nya Wallenberg Scholar projektet med start sommaren 2025 ska vi istället undersöka något helt annat: vi ska försöka skapa supraledning genom att låta material interagera med sin omgivning. Oftast förstör sådan koppling till omgivningen kvantmekaniska effekter men vi tror det finns möjligheter att skräddarsy kopplingen för att skapa helt ny fysik. Det blir väldigt spännande att se om vi lyckas.

Anneli Björkman