På jakt efter nya och underliga supraledare

Annica Black-Schaffer vill förstå okonventionella supraledare. Att hon nyligen fått prestigefyllda ERC Starting Grant och tidigare anslag från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse vittnar om intresset för hennes forskning. En hägrande tillämpning är framtidens superdatorer.

Supraledare är material som vid låga temperaturer leder ström helt utan motstånd och utan att avge värme. Fenomenet upptäcktes redan 1911 och har i dag tillämpningar som till exempel vid en magnetröntgen, där den nödvändiga kylningen sker med helium.

– Det jag vill är att förstå okonventionella, lite underliga supraledare och deras egenskaper och konsekvenser, säger Annica Black-Schaffer, universitetslektor och docent i materialteori vid institutionen för fysik och astronomi.

Ett exempel är topologiska supraledare. Topologi inom fysiken används för att beskriva hur ett materials egenskaper förändras och försätts i olika tillstånd vid olika förhållanden och temperaturer. Upptäckter som gav David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz Nobelpriset i fysik 2016.

Annorlunda kvantmekanisk vågfunktion

Annica Black-Schaffer berättar att i topologiska supraledare har elektronerna en annorlunda kvantmekanisk vågfunktion.

– De är supraledande men får ett tillstånd på kanten eller ytan som är metalliskt.

Fenomenet ger upphov till majoranafermioner som enkelt uttryckt är halva elektroner.

– En elektron är ju egentligen en fundamentalpartikel som inte går att dela upp. Men i de här materialen har elektronen två helt separata delar. Det är precis som att elektronen är på två skilda ställen samtidigt!

Om majoranafermionerna också kan flätas och förmås att byta plats kan Annica Black-Schaffer och hennes kollegor teoretiskt vara lösningen till en hållbar kvantdator på spåren. I en kvantdator hanteras informationen i qubits eller kvantbitar. En kvantbit kan vara en etta och nolla samtidigt vilket gör beräkningar långt snabbare än dagens datorer, men samtidigt är de mycket mer känsliga för störningar som vibrationer eller temperaturförändringar. Majoranafermionernas egenskaper gör att en kvantdator kan undgå denna känslighet.

Kartlägger materialens egenskaper

Hon betonar att hennes forskning är ren teoretisk grundforskning. Experiment pågår dock redan på flera håll i världen varav några är sponsrade av ett stort mjukvaruföretag.

– Det vi gör är att kartlägga materialens egenskaper och räknar ut när majoranafermionerna dyker upp och under vilka omständigheter.

Med startanslaget från ERC på 15 miljoner i ryggen kan Annica Black-Schaffer nu gå vidare och också studera ännu mer okonventionella supraledare med udda frekvensberoende. Elektroner, som annars skyr varandra på grund av negativ laddning, bildar par när supraledning uppstår.

– Men i vissa material finns ett tidsberoende mellan de båda elektronerna och då kan det uppstå uddafrekvens-supraledning, förklarar Annica Black-Schaffer.

Spännande för teoretiker

Det är många fler sådana material hon och hennes forskargrupp nu vill upptäcka och studera. Ett nytt material de redan hittat är strontium-ruthenat, vilket är en välkänd supraledare med mycket speciella egenskaper. Ett annat delmål är att förstå mer på djupet vad uddafrekvens-supraledare är och vad det har för experimentella konsekvenser.

– Som teoretiker är det spännande att se vad experimentalister gör av våra modeller i praktiken. Eller omvänt – de kan upptäcka ett fenomen som vi får sätta tänderna i för att förklara!

Henrik Möller

---

Läs mer

Fyra toppforskare vid Uppsala universitet får ERC Starting Grants

Forskning: Ny exotisk typ av supraledning

 

27 oktober 2017