Annica Black-Schaffer vill förstå okonventionella supraledare. Det faktum att hon nyligen fick det prestigefyllda ERC Starting Grant och är tidigare mottagare av bidrag från Knut och Alice Wallenberg Foundation är ett bevis på intresset för hennes forskning. En ansökan är morgondagens superdatorer.

Superledare är material som, vid låga temperaturer, leda strömmar utan motstånd och utan att släppa ut värme. Fenomenet upptäcktes 1911 och har nu applikationer som MR, där den nödvändiga kylningen görs med helium.

"Det jag vill är att förstå okonventionell, ganska ovanliga superledare och deras egenskaper och konsekvenser, säger Annica Black-Schaffer, universitetslektor och docent i materialteori vid Institutionen för fysik och astronomi.

Ett exempel är topologiska superledare. Topologi i fysik används för att beskriva hur ett materials egenskaper förändras och går in i olika tillstånd under olika förhållanden och temperaturer, upptäckter som gav David Thouless, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz 2016 års Nobelpris i fysik.

Olika kvantmekaniska vågfunktioner

Annica Black-Schaffer förklarar att i topologiska superledare, elektronernas kvantmekaniska vågfunktion är annorlunda.

"De är supraledare, men de har ett metalliskt skick vid kanten eller ytan. Detta fenomen ger upphov till majorana fermioner som, enkelt uttryckt, är halva elektroner. En elektron är verkligen en grundläggande partikel som inte kan delas upp. Men i dessa material, elektronerna har två helt separata delar. Det är precis som om elektronen var på två olika platser samtidigt! "

Om majorana fermioner också kan vridas och få plats att byta, då kan Annica Black-Schaffer och hennes kollegor teoretiskt sett gå vidare till lösningen för en hållbar kvantdator. I en kvantdator, information hanteras i qubits, eller kvantbitar. En qubit kan vara en och noll samtidigt, vilket gör beräkningar mycket snabbare än dagens datorer, men de är samtidigt mycket mer känsliga för störningar som vibrationer eller temperaturförändringar. Egenskaperna hos majorana fermioner tillåter en kvantdator att undvika denna känslighet.

Kartläggande egenskaper hos material

Hon betonar att hennes forskning är rent teoretisk grundforskning. Dock, experiment pågår redan i flera delar av världen, varav några är sponsrade av ett stort mjukvaruföretag.

"Det vi gör är att kartlägga materialens egenskaper och beräkna när majorana fermionerna dyker upp och under vilka omständigheter."

Med en initial finansiering från ERC på 15 miljoner kronor bakom sig, Annica Black-Schaffer kan nu fortsätta och även studera ännu mer okonventionella superledare med udda frekvensberoenden. Elektroner, som annars undviker varandra på grund av en negativ laddning, bildar par under supraledning.

"Men vissa material har ett tidsberoende mellan båda elektronerna, och då kan supraledning med udda frekvenser uppstå, "förklarar Annica Black-Schaffer.

Teoretiker och experimenter

Det finns många fler sådana material som hon och hennes forskargrupp nu vill upptäcka och studera. Ett nytt material som de redan har hittat är strontiumrutenat, som är en välkänd superledare med mycket speciella egenskaper. Ett annat delmål är att på större djup förstå vad udda frekvens superledare är, och deras experimentella konsekvenser.

"Som teoretiker, det är spännande att se vad experimentalister gör av våra modeller i praktiken. Eller tvärtom - de kan upptäcka ett fenomen som vi sänker våra tänder i, i ett försök att förklara det! "