Magnus H. Berntsen, Bastian M. Wojek och Oscar Tjernberg på KTH är tre av forskarna bakom upptäckten av topologiska kristallina isolatorer.

– Vid en jämförelse med geografin skulle jag inte säga att vi upptäckt en okänd värld, men definitivt en helt ny kontinent, säger professor Oscar Tjernberg som arbetar vid avdelningen för materialfysik vid ICT-skolan på KTH.

Han leder den forskningsgrupp som gjorde upptäckten av det material som nu benämns topologiska kristallina isolatorer. Det är ett material som liknar topologiska isolatorer, vilka varit kända i cirka 5 år. Dessa har den unika förmågan att de inte leder ström inuti materialet men däremot på ytan. Elektronerna på ytan är dessutom heliska, det vill säga spinnpolariserade.

– Topologiska kristallina isolatorer är dock en helt ny familj av topologiska isolatorer. Att få vara med om en upptäckt på den här nivån är inte alla forskare förunnat, säger Oscar Tjernberg.

Men vad ska man då ha materialet topologiska kristallina isolatorer till?

– Ska jag vara ärligt är det ju lite tidigt att uttala sig om det. Men om jag spekulerar så skulle materialet kunna användas till att tillverka spinntroniktillämpningar som exempelvis kvantdatorer, säger Oscar Tjernberg.

Han fortsätter med att berätta att topologiska kristallina isolatorer uppstår tack vare kristallsymmetrin. Det vill säga att atomerna sitter på ett rätt speciellt sätt i materialet. Den symmertrin kan brytas, om man töjer eller klämmer på materialet. Det öppnar för vissa möjligheter, till exempel att öppna och stänga ledningskanaler vilket kan leda till att man skapa komponenter ur materialet.

– Således kan man tänka sig att det gåra att skapa nya typer av komponenter. Komponenter som också skulle kunna sitta i så kallad omprogrammeringsbar hårdvara. Då går det att anpassa datorn till den mjukvara som körs, och datorn innehåller inte statisk hårdvara som är situationen idag, säger Oscar Tjernberg.

Forskargruppen från KTH upptäckte inledningsvis ett specifikt yttillstånd som påminde om topologiska isolatorer men som definitivt var något annat. I kombination med teoretiska arbeten kring material motsvarande topologiska kristallina isolatorer kunde forskarna definiera vad de hade funnit.

Upptäckten av topologiska kristallina isolatorer har beskrivits som en milstolpe inom sitt område. Det bevisas inte minst genom att upptäckten lett till en publicering i den prestigefulla vetenskapstidskriften Nature Materials. Nature Materials är nämligen en av de tidsskrifter som har bäst genomslag inom det naturvetenskapliga forskningsområdet.

– För den enskilde forskaren eller forskargruppen är det oerhört sporrande att få sitt resultat publicerat i en tidskrift som Nature Materials. Att synas på det här sättet förbättrar förhoppningsvis möjligheten till ytterligare forskningsfinansiering och i förlängningen också våra förutsättningar att locka nya unga kvalificerade forskare, säger Oscar Tjernberg.

Publiceringar i tidskrifter som Nature Materials innebär också viktiga bidrag till forskningen som sådan. Ett forskningsfält utvecklas genom att hela forskarsamhället bidrar med sin gemensamma kunskap.

– Det kan handla om att fylla mindre luckor eller att ta större kliv framåt inom ett område. Den artikel vi nu har fått publicerad är definitivt ett exempel på det senare, säger Oscar Tjernberg.
Upptäckten av materialet topologiska kristallina isolatorer har skett i samarbete med forskare från MAX IV-laboratoriet i Lund och ett antal forskarkollegor vid den polska vetenskapsakademien i Warszawa.

KONTAKT
För mer information, kontakta Oscar Tjernberg på 08 – 790 41 58 eller oscar@kth.se.

Forskarnas målsättning med projektet är att ta fram en metodik för att studera effekter av högfrekvent strålning, som den från till exempel mobiltelefoner och trådlösa nätverk. Metoden går ut på att följa olika tillstånd hos proteiner i levande system och följa molekylernas rörelse.

– För ändamålet kommer vi att utveckla en revolutionerande biofysikalisk mätmetod där vi kombinerar högfrekvent strålning,  spridning av röntgenstrålning och frielektronlaser för att följa det dynamiska förloppet hos proteiners konformationsförändringar, säger Richard Neutze.

Biokemiprofessor Richard Neutze har byggt upp en framgångsrik forskargrupp med bas på Lundbergslaboratoriet, Göteborgs universitet. Medsökande i det nya forskningsprojektet är forskarna Anders Ewing, Kristina Hedfalk, Gergely Katona, Thomas Nyström samt Jan Stake och Jan Swenson från Chalmers.

Överbryggar avståndet mellan olika discipliner
Genom projektet presenteras ett nytt forskningsfält som överbryggar avståndet mellan traditionella discipliner som biokemi, cellbiologi, röntgenfysik och dataanalys. Det är ett forskningsfält med potential att prägla framtida inriktningar inom strukturbiologi.

– Målmolekylerna för våra studier är proteinbaserade byggstenar i cellens skelett; aktin och tubulin. Vi kommer att följa hur dessa molekyler reagerar på högfrekvent strålning i realtid. Därför kombinerar vi röntgenstrålning från synkrotronanläggningar och frielektronlaser för avbildning av vidsträckta biologiska strukturer vilka samtidigt exciteras av frekvenser mellan kHz och THz.

Genom metoden kombinerar forskarna flera tekniker. Med hjälp av frielektronlaser och röntgenstrålning är det möjligt att hålla små proteinmolekyler i blickfånget och samtidigt studera effekten av högfrekvent strålning. Man får alltså en omedelbar återkoppling av effekten på molekylär nivå. Med denna metod kan forskarna alltså både få ”stillbilder” och följa händelseförloppet.

Kan ge ökad förståelse för cellnedbrytning
För att förstå hur sammanhängande strukturella förändringar påverkar funktionen hos cellskelettet i en enskild cell kommer forskarna att applicera metoden på specifika områden i cellskelettet hos vanlig bagerijäst och hos neuronliknande celler.

– Vår hypotes är att uppmätt respons hos cellskelettet på molylär nivå kan spela en avgörande roll vid celldelning och signalöverföring mellan nervceller, vilket i sin tur kan leda till ökad förståelse för de mekanismer som styr den cellnedbrytning som sker vid åldrande och sjukdom.

Richars Neutzes projekt är ett av de 25 forskningsprojekt som i år beviljas anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och som bedöms ha potential att leda till nya vetenskapliga genombrott. Totalt delas 700 miljoner ut inom fyra huvudområden: Teknik/fysik/matematik, övrig naturvetenskap samt medicin.

KONTAKT
Richard Neutze kommer ursprungligen från Nya Zeeland där han doktorerade i fysik. Via forskningstjänster i Storbritannien och Tyskland kom han till Sverige 1997 och är sedan 2006 professor vid Institutionen för kemi och molekylärbiologi vid Göteborgs universitet.

Richard Neutze, Tel: 031—786 3974 E-post: richard.neutze@chem.gu.se

Det mest mystiska lagret i solens atmosfär är kromosfären, som ligger närmast solens synliga yta (fotosfären). Tätheten i kromosfären är så låg att den inte syns i vanligt ljus men den är hetare än de nedre lagren och strålar ut mycket energi. Med hjälp av ett nytt avancerat filter kopplat till det svenska solteleskopet på La Palma skall forskare vid Stockholms universitet ta reda på varifrån energin kommer.

Genom att utnyttja ett specialutvecklat filtersystem för det svenska solteleskopet (SST) på kanarieön La Palma ska forskare vid Stockholms universitet förklara upphettningen och de kraftfulla gasrörelserna i den magnetiskt dominerade kromosfären.

– Vårt utgångsläge är det bästa. Vi har ett världsledande teleskop som bevisligen ser mindre detaljer på solen än andra teleskop. Nu utrustar vi detta teleskop med ett filtersystem som gör det möjligt att mäta temperatur och hastigheter hos gasen i kromosfären med oöverträffad detaljrikedom, säger Göran Scharmer, professor vid Institutionen för astronomi vid Stockholms universitet och Kungl. Vetenskapsakademien.

Kromosfären kan inte förstås utan att samtidigt observera rörelser och magnetfält i den nedre fotosfären. Allt som sker i kromosfären har sitt ursprung i fotosfären och att registrera dessa kopplingar är av fundamental betydelse för projektets framgång.

– Vi har sedan 2008 ett filtersystem som bygger på liknande principer som det som nu planeras och som är optimalt för samtidiga observationer av fotosfären. Därmed kan vi observera båda lagren samtidigt med ett och samma teleskop, säger Göran Scharmer.

En annan spännande aspekt som kommer att undersökas är hur kromosfären växelverkar med den ännu mycket hetare koronan som omger kromosfären. Koronan kan inte studeras bra med markbundna teleskop, eftersom den strålar nästan all energi i ultraviolett ljus som absorberas av jordatmosfären. Forskarna samarbetar därför med forskare i Norge som, tillsammans med amerikanska kollegor, under 2013 kommer att skjuta upp IRIS – ett satellitburet solteleskop – för observationer i ultraviolett.

– Kollegorna i Norge har också utvecklat mycket avancerade program för numeriska simuleringar av både kromosfären och koronan. Detta kommer att få stor betydelse för tolkningen av de nya observationerna med SST, säger Göran Scharmer.

Studien fick i dagarna finansiering från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse i en utlysning för forskningsprojekt av hög vetenskaplig potential.

– Anslaget från stiftelsen möjliggör att vi kan utrusta vårt teleskop med det avancerade filtret. Dessutom finansierar anslaget nödvändiga tjänster för de forskare, doktorander och tekniker som behövs för att genomföra projektet. Detta bidrag är av oerhört stor betydelse för vår framtida forskning inom solfysik, säger Göran Scharmer.

KONTAKT
Göran Scharmer, professor, Institutionen för astronomi, Stockholms universitet, tfn 08-55 37 85 32, mobil 0707-53 00 12, e-post scharmer@astro.su.se