På jagt efter nye og ejendommelige superledere

Annica Black-Schaffer ønsker at forstå ukonventionelle superledere. At hun for nylig modtog det prestigefyldte ERC Starting Grant og er tidligere modtager af legater fra Knut og Alice Wallenberg Fonden vidner om interessen for hendes forskning. Et vinkende program er morgendagens supercomputere.

Superledere er materialer, som ved lave temperaturer, lede strømme uden modstand og uden at afgive varme. Fænomenet blev opdaget i 1911 og har nu applikationer som MRI'er, hvor den nødvendige afkøling sker med helium.

"Det, jeg ønsker, er at forstå ukonventionelle, ret usædvanlige superledere og deres egenskaber og konsekvenser, " siger Annica Black-Schaffer, lektor og lektor i materialeteori ved Institut for Fysik og Astronomi.

Et eksempel er topologiske superledere. Topologi i fysik bruges til at beskrive, hvordan et materiales egenskaber ændrer sig og går ind i forskellige tilstande under forskellige forhold og temperaturer, opdagelser, der gav David Thouless, Duncan Haldane og Michael Kosterlitz Nobelprisen i fysik 2016.

Forskellige kvantemekaniske bølgefunktioner

Annica Black-Schaffer forklarer, at i topologiske superledere, elektronernes kvantemekaniske bølgefunktion er anderledes.

"De er superledere, men de har en metallisk tilstand ved kanten eller overfladen. Dette fænomen giver anledning til majorana-fermioner, som, enkelt sagt, er halve elektroner. En elektron er virkelig en fundamental partikel, som ikke kan opdeles. Men i disse materialer, elektronerne har to helt adskilte dele. Det er præcis, som om elektronen var to forskellige steder på samme tid!"

Hvis majorana fermioner også kan blive snoet og få til at skifte plads, så kan Annica Black-Schaffer og hendes kolleger teoretisk set være på vej til løsningen for en holdbar kvantecomputer. I en kvantecomputer, information håndteres i qubits, eller kvantebits. En qubit kan være et og nul på samme tid, hvilket gør beregninger langt hurtigere end nutidens computere, men de er samtidig meget mere følsomme over for forstyrrelser som vibrationer eller temperaturændringer. Majorana-fermioners egenskaber gør det muligt for en kvantecomputer at undgå denne følsomhed.

Kortlægning af materialers egenskaber

Hun understreger, at hendes forskning er ren teoretisk grundforskning. Imidlertid, eksperimenter er allerede i gang i flere dele af verden, hvoraf nogle er sponsoreret af et stort softwarefirma.

"Det, vi gør, er at kortlægge materialernes egenskaber og beregne, hvornår majorana-fermionerne opstår og under hvilke omstændigheder."

Med en indledende finansiering fra ERC på 15 millioner SEK bag sig, Annica Black-Schaffer kan nu fortsætte og også studere endnu flere ukonventionelle superledere med ulige frekvensafhængigheder. Elektroner, som ellers undgår hinanden på grund af en negativ ladning, danner par under superledning.

"Men nogle materialer har en tidsafhængighed mellem begge elektroner, og så kan der opstå ulige frekvens superledning, " forklarer Annica Black-Schaffer.

Teoretikere og eksperimentalister

Der er mange flere sådanne materialer, som hun og hendes forskergruppe nu ønsker at opdage og studere. Et nyt materiale, de allerede har fundet, er strontiumruthenat, som er en velkendt superleder med helt særlige egenskaber. Et andet foreløbigt mål er at forstå i større dybde, hvad ulige frekvens superledere er, og deres eksperimentelle konsekvenser.

"Som teoretikere, det er spændende at se, hvad eksperimentalister gør om vores modeller i praksis. Eller omvendt – de kan opdage et fænomen, som vi sætter tænderne i, i et forsøg på at forklare det!"