Om verden var flat

2D er noe av det hotteste i fysikken akkurat nå.

Studerer 2D-fysikk: Ola Liabøtrø, Jon Magne Leinaas, Susanne Viefers, Olav Syljuåsen, Mats Horsdal og Marius Ladegård Meyer.

Det finnes fysikere som lurer på om verden kanskje er 11-dimensjonal, mens andre synes det er mest givende å se verden i 2D - eller 1D, for den saks skyld.

Nobel i år?

I år får de få-dimensjonale litt ekstra oppmerksomhet. Årets Nobelsymposium i fysikk handler nettopp om dette feltet. Ingen garanti for at dette blir tema for årets Nobelpris, mener professor Susanne Viefers, men det er jo artig å spekulere!

Både i 2010, da grafén var tema, og i 2013 (Higgs) handlet Nobelsymposiet og -prisen om det samme. Uansett: temaet er høyaktuelt.

Susanne Viefers leder prosjektet Topological quantum phenomena in low dimensional systems.

Hva i all verden går det ut på, Susanne?

—Vi studerer hva som skjer når vi begrenser kvanteteorien til 2 eller 1 dimensjon, forteller hun. Da oppstår det sære fenomener som ikke er tillatt i vår vanlige, 3-dimensjonale verden. Sære fenomener er noe fysikere liker veldig godt!

For eksempel er det i to dimensjoner teoretisk tillatt med anyoner - partikler som bryter med den tradisjonelle lærebok-kunnskapen om at alle partikler kan klassifiseres som enten bosoner eller fermioner. Anyoner er ingen av delene.

Norsk oppdagelse

Anyoner er forøvrig en norsk oppdagelse. Les historien om anyonene i artikkelen Ny oppdagelse i Einsteinklasse (Apollon).

Fram til begynnelsen av 1980-tallet var dette gøy matematikk, men nå er det en realitet. På laboratorier har en laget materialer hvor partikler er fanget i én eller to dimensjoner.

Et eksempel er to halvlederkrystaller som settes sammen og kjøles ned til bare en brøkdel av en grad over det absolutte nullpunkt. I flaten mellom de to materialene blir elektronene "fanget". De kan kun bevege seg i planet, i to dimensjoner.

Utsetter man dessuten dette materialet for et veldig sterkt magnetfelt, oppstår et fenomen som kalles kvante-Halleffekten, som har ført til hele to Nobelpriser. I denne settingen opptrer anyoner. 

Og det stopper ikke der: Kvante-Halleffekten er på en måte prototypen for en hel klasse nye, eksotiske materialer som er blitt oppdaget de siste årene.

Gasser av kalde atomer er det også mulig å manipulere med slik at de blir 1- eller 2-dimensjonale.

Moderne nanoteknologi

Men hvorfor studere og eksperimentere med dette?

—Først og fremst er det grunnforskning vi holder på med, sier Susanne Viefers - det er interessant i seg selv å forstå fysikken. Men når det er sagt: Mange av materialene i moderne nanoteknologi vil inneholde lavdimensjonelle elementer.

Den nevnte kvante-Halleffekten definerer nå SI-standarden for elektrisk motstand. Og drømmen på lang sikt er at denne forskningen kan føre til en veldig robust type kvantedatamaskin.

Dette siste investerer forøvrig Microsoft stort i, noe som ble omtalt i en lesverdig artikkel i New York Times 23. juni: Microsoft Makes Bet Quantum Computing Is Next Breakthrough

Grunnleggende forståelse er en forutsetning for å lage ny teknologi. Ta grafén som eksempel. Det er et 2D-materiale laget av ett lag karbonatomer. Her er det mange anvendelser på vei.

Karbon-nanorør er et annet eksempel. Dette er grafén rullet sammen til bittesmå rør, slik at fysikken i dem blir én-dimensjonal.

Susanne jobbet forøvrig med med karbon-nanorør tidligere og hennes gamle sjef ved Chalmers i Gøteborg, Jari Kinaret, leder nå EUs kjempeprosjekt Graphene Flagship.

Skiller seg fra Higgsjakten

Hvordan jobber dere, rent konkret?

—Her i Oslo jobber vi teoretisk, i samarbeid med flere grupper i utlandet og ved NTNU. Men det er godt samspill mellom teoretikere og laboratorier ute i verden som holder på med eksperimenter. Noen kommer opp med ny teori, som så blir testet i lab, nye problemstillinger oppstår, det utvikles nytt teoretisk rammeverk...

Verden over består teorisiden av fagfeltet oftest av små grupper på 2-3 professorer. Men det er sterke grupper som selvsagt har kontakt med hverandre og utveksler kunnskap. Ethvert prestisjeuniversitet i USA har en aktivitet innen denne typen teoretisk fysikk, sier Susanne Viefers.

Hverdagen består ofte i at vi graver oss ned i matematikk, løser likninger på papir, simulerer på datamaskiner og sammenlikner.

Det er ikke slik at alle jobber mot et felles konkret mål, som for eksempel var tilfelle i jakten på Higgsbosonet. Fagfeltet har snarere vært en flere tiår lang reise gjennom en rekke nye, uventede og spennende fenomener, med mye ny forståelse som har vokst fram over år. Å vite at man har ny innsikt kan gi gode opplevelser!

 

Figurene under viser noen av problemstillingene gruppa jobber med:

2d

 

* Figur gjengitt med tillatelse  fra B. Zocher, M. Horsdal, og  B. Rosenow, Phys. Rev. Lett. 109, 227001 (2012). Copyright (2012) American Physical Society.

Av Hilde Lynnebakken
Publisert 26. aug. 2014 09:55 - Sist endret 26. aug. 2014 10:53