Vetenskapsområdet för teknik och naturvetenskap

Han räknar ut tingens ordning

2017-11-08

Professorn i materialteori Peter Oppeneer bygger matematiska teorier med hjälp av kvantfysik, bland annat inom det nya EU-projektet FEMTOTERABYTE.

Hur går man till väga för att förklara eller förutsäga ovanliga egenskaper hos olika material? Fysikern Peter Oppeneer använder ekvationer för nya avslöjanden om den minsta gemensamma nämnaren i alla material: elektronen. – Allt från datorer och batterier till cellerna i våra kroppar är uppbyggda av mer eller mindre samma atomer. Utifrån dem kan vi bygga material med nya egenskaper, men också förbättra diagnoser inom hälsovård.

Det är för grundforskning han brinner, professorn i materialteori vid institutionen för fysik och astronomi. Den röda tråden i hans forskning är bygget av matematiska teorier med hjälp av kvantfysik, teorin om partiklar mindre än atomer.

– Jag börjar alltid med att sätta upp en ny matematisk teori i form av ekvationer, för ett olöst problem. Om jag och mina kollegor exempelvis ska utveckla ett datorprogram är målet att programmera och noggrant beräkna vilka kvantitativa resultat teorin ger. De resultat vi får kan antingen jämföras direkt med experiment eller förutsäga mätbara resultat för nya experiment, säger Peter Oppeneer.

– Redan som doktorand kom jag fram till att det är det sättet jag föredrar att forska på.

En viktig nyckel till att ta fram nya material är att bestämma hur magnetiska tillstånd bildas utifrån materialens atomer. Atomernas elektroner är till sin natur magnetiska. Men det är först när elektronerna som rör sig runt atomerna påverkas av andra elektroners laddningar som magnetism uppstår. Det är en växelverkan mellan partiklar som också påverkas av ett magnetiskt moment hos elektronen som kallas spinn.

– Alla elektroner har ett spinn-moment. Det är därför magnetism alltid kommer in i bilden på något sätt, och även indirekt styr så mycket inom våra kroppar.

Att våra miljontals celler kontrolleras av svaga elektriska och magnetiska impulser ledde en gång till att Peter Oppeneer kom att involveras i ett malariaprojekt. För drygt tio år sen forskade han på magneto-optik, en metod för att avslöja magnetism med ljus. En dag blev han kontaktad av en grupp experimentella fysiker i Storbritannien och deras forskarpartners inom tropisk biologi och medicin i Nederländerna. Kunde man använda magneto-optiken för att upptäcka malariasjukdom hos människor?

– Jag visste ingenting om malaria men tillsammans med min forskargrupp satte jag igång att utarbeta en kvantteori. Och genom storskaliga beräkningar kunde vi förutsäga hur detektionen skulle kunna gå till, berättar Peter Oppeneer.

– Man kan detektera malaria rent optiskt genom att mäta ljusabsorption i ett finger. Det som händer är att om man är infekterad av en malariaparasit i blodet så har man också malariapigment. Dessa pigment har ett magnetiskt moment som skiljer sig från momentet i hemoglobinet, proteinet som finns i  röda blodkroppar hos människor och många djur. Det gör att man kan upptäcka malariasjukdom med magneto-optik.

Forskarna i Storbritannien tog patent på upptäckten som senare resulterade i ett diagnosinstrument för malaria. Men Peter Oppeneer var och är inte intresserad av investeringar i dyra patent eller produktutveckling: han vill arbeta med grundläggande fysik.

– Mitt mål är inte att tjäna pengar. Sen är det väl typiskt för mig att när jag har jobbat på ett tema och förstått en hel del, ja då börjar jag leta efter något nytt som kan fånga min uppmärksamhet. På det sättet har jag forskat på en rad olika områden.

Flera av de områden han forskat på kombineras nu i EU-projektet FEMTOTERABYTE, med honom själv som huvudansvarig för teorin. I projektet ingår förutom kollegorna och materialfysikerna Vassilios Kapaklis och Björgvin Hjörvarsson även nanoforskare vid Göteborgs universitet och fysiker från bland annat Nederländerna och Storbritannien. Målet med projektet är att förändra magnetiseringsriktningen i en hårddisks nanometersmå informationsbitar inom loppet av endast femtosekunder – där en femtosekund är hisnande en tusendels biljondels sekund.

– Att ändra riktningen på elektronernas spinn i datorns informationsbitar innebär att man ändrar informationsbitarnas sekvens av ettor och nollor. När takten på denna förändring ökar kan information snabbare skrivas till och läsas från den magnetiska hårddisken, förklarar Peter Oppeneer.

– Om vi lyckas uppnå målet kan det leda till en revolution inom magnetisk datalagring, som blir mycket snabbare och kan hantera och lagra ännu större datamängder i framtiden.

Faktum är att Peter Oppeneer och hans grupp redan tagit ett stort kliv på vägen och som första forskare i världen lyckats visa att exponering av ljus kan framkalla magnetisering på mindre än 100 femto-sekunder.

– Förra året lyckades vi beräkna att ljus kan användas för att inducera magnetiskt moment i material med vad som kallas helicitet eller optiskt spinn-moment, något som publicerades i Physical Review Letters.

Nyligen bidrog hans grupps beräkningar av magnetiska spinnmoment även till upptäckten av en metod som kan leda till snabbare elektroniska minnen.

– Vi lyckades utveckla teori för en liten relativistisk effekt, den så kallade spinn-Halleffekten, som fått mycket uppmärksamhet inom spinntronik, ursprungligen spinn-elektronik. Jag var nästan förvånad över att våra beräkningar i platina och volfram passade utmärkt till data som kollegor i Schweiz mätte.

Forskningsfokuset till trots månar han mycket om sin roll som lärare. De senaste åren har han undervisat i genomsnitt 40 procent av en heltidstjänst.  Nästan alla som studerat teknisk fysik de senaste tretton åren vid Uppsala universitet har haft Peter Oppeneer som lärare i kvantfysik. Han hoppas han kan inspirera åtminstone några att gå vidare till forskningen. 

Vilka råd skulle du ge till studenter som är intresserade av ditt område?

– Börja med att fundera över varför saker är som de är och försök hitta den bästa förklaringen till dessa. Var sen beredd att lägga ner mycket tid på fördjupning av din förståelse. Ställ sen nya frågor.

Peter Oppeneer tillägger:

– Det är så viktigt att se till att få fundamentala kunskaper i fysik. Expertkunskaper i ett specifikt ämne är inte särskilt viktiga eftersom sådana kunskaper snabbt blir föråldrade. Teknologin förändrar sig i dagsläget väldigt fort.

 

Anneli Björkman

2017-10-31

 

FAKTA PETER OPPENEER

 

Ålder: 59

Titel: Professor i materialteori vid institutionen för fysik och astronomi.

Utbildning: Docent i fysik vid Dresdens universitet, Tyskland

Familj: Gift med Maria Oppeneer

Gör på fritiden: Studerar bibeln. När jag bodde i Darmstadt och Dresden i Tyskland på 90-talet var jag bibellärare i en församling på kvällstid, men det är jag inte längre. Hur min religiösa övertygelse går ihop med mitt naturvetenskapliga synsätt? Man måste se att Bibeln talar om saker som själ, ande, tro. Och fysiken talar om helt andra saker som elektroner, protoner, neutroner. Fysiken har ingen möjlighet att uttala sig om det vi kallar själ, ande eller tro. Å andra sidan säger Bibeln ingenting om neutroner och liknande. Men Bibeln talar om det som är relevant för vårt liv. Det kan inte fysiken göra. Så jag ser ingen motsättning.

Mest stolt över: Jag är stolt över mina medarbetare, nog mest när de kommer med egna fantastiska forskningsidéer. Sen är jag också glad och stolt över att jag kunnat finansiera dem alla helt och hållet med externa forskningsanslag. De senaste tolv åren har sex stycken EU-anslag gett mig möjlighet att utveckla egna idéer, och att planera och bedriva forskning. Publiceringen av många goda artiklar, däribland tolv i olika Nature-tidskrifter, bidrog i sin tur mycket till att få EU-anslag tilldelade.

Tacksam för: Min maka Maria som har stöttat mig under många år!

Ville jag bli när jag var liten: Jag tvekade först om jag skulle bli arkeolog, eftersom jag tyckte att det var spännande. Dock kunde det inte ge mig samma utmaning som fysik och matematik och fånga mitt intresse. Men jag är lycklig över att min brorson snart skall doktorera i arkeologi!

 

Ny metod kan ge snabbare elektroniska minnen

Tvådimensionell magnetisk ordning förverkligad i ett molekylärt schackbrädsystem

Nytt EU-projekt inom ultrasnabb nanomagnetism

Mer om Peter Oppeneer och forskningen inom materialteori vid Uppsala universitet

Alla nyheter