Hvad skal fremtiden bygges af?

Verden over bliver der udviklet flere og flere nye materialer, der bogstaveligt talt kan bruges til at bygge fremtidens teknologi. Men der er en stor portion held med, når vi opdager lovende kandidater til at forske og udvikle på. Med en bevilling på 33,5 millioner kroner fra VILLUM FONDEN skal et nyetableret forskningscenter ændre på det med international samarbejde og målrettet forskning, for der er for meget på spil til at lade heldet råde.

08.07.2016 | Rasmus Rørbæk Christensen

Philip Hofmann skal lede arbejdet mod fremtidens materialer. (Foto: Rasmus Rørbæk)

Partikelacceleratoren ASTRID2 på Aahus Universitet får en nøglerolle i arbejdet. (Foto: Rasmus Rørbæk)

En af de gængse vendinger om teknologiens fremskridt lyder, at der er mange gange mere regnekraft i en halvgammel smartphone, end der var i den månelander, som lod Neil Armstrong tage det store skridt for menneskeheden i 1969.

Men. Vi er ved at have brug for et nyt stort skridt. Silicium har de sidste mange år været grundstenen, der har ladet os bygge den teknologiske tidsalder. Uden silicium ingen lommeregnere, Apollo 11 eller iPhone. Men materialet er ved at tabe pusten, og der er mere og mere brug for nye materialer. Siden 2004 har der været ét materiale, som har fået forskerne til at øjne fremtidens teknologiske fremskridt: Grafén.

Grafén har ledt til verdensomspændende aktiviteter, mange vigtige grundlæggende opdagelser, Nobelprisen i fysik og de første teknologiske anvendelser, men vi kender vist alle historien om ikke at lægge alle sine æg i en kurv. Verden over forskes der intenst i at identificere, klassificere og udvikle på flere af de såkaldte Diracmaterialer, der har elektriske egenskaber i stil med grafén, der kan hjælpe menneskehedens mod det næste store skridt.

Diracmaterialer har nogle fælles egenskaber, som adskiller sig markant fra de konventionelle faste stoffer, der har udgjort grundstenene i den moderne elektronik.

På basis af en bevilling på 33,5 millioner kroner fra VILLUM FONDEN skabes nu VILLUM Centre of Excellence for Dirac Materials med professor Philip Hofmann fra Aarhus Universitet i spidsen.

”Vi er meget stolte over, at VILLUM FONDEN har besluttet at gøre det muligt for os at oprette dette center, der de næste fem år får til opgave at sikre solide fremskridt indenfor materialeforskningen.

Opdagelsen af Diracmaterialer er så ny, at mange grundlæggende spørgsmål stadig er helt åbne om materialerne, og der er et stort potentiale for banebrydende opdagelser, fordi vi endnu ikke kender til alle materialerne. Det er disse opdagelser, vi nu kan fokusere på ved at internationalisere og samle nogle af de bedste forskere i centeret,” siger professor Philip Hofmann.

Lang vej endnu
Dirac-forskningen har rykket sig meget langt siden opdagelsen af grafén i 2004, hvor man i dag kender til andre materialer med lignende egenskaber; herunder også materialer, som man kendte til i forvejen uden at vide, at de også havde Dirac-egenskaber. Et eksempel er topologiske isolatorer, der er termoelektriske materialer, som nu også er kommet på listen for Diracmaterialer. 

Det er med andre ord en stor opgave, der venter forskerne bag VILLUM Centre of Excellence for Dirac Materials. Ikke blot skal man finde frem til nye emner, men der er også en retrospektiv opgave i at tage skridt fremad:

”Fremskridtene med de teoretiske koncepter lover at kunne ændre vores tilgang til området, men vi mangler stadig materialerne til at kunne gøre det. Fysikere kender ganske enkelt ikke alle materialerne endnu – og da slet ikke deres egenskaber. Hånden på hjertet har opdagelsen af nye Diracmaterialer hidtil været domineret af kvalificeret gætteri og en smule held, så det lyder plausibelt, at langt fra alle Diracmaterialer er blevet identificeret.

Vores tilgang vil systematisere dataindsamling omkring alle kendte materialer kombineret med analyser med udgangspunkt i big data. Det skal gøre det muligt at syntetisere og efterprøve lovende materialer,” forklarer Hofmann.

Kegler rocks!
Diracmaterialer er opkaldt efter fysikeren Paul Dirac, der beskrev en elektronstruktur formet som en kegle i en særlig type materiale. Denne struktur har siden vist sig at være så generel, at navnet nu gælder for en hel materialeklasse.

Materialerne udviser egenskaber, der udfordrer vores gængse forståelse af fysikken i faste stoffer, og har potentialet til at realisere en hidtil uopnåelige applikationer, der kun er beskrevet teoretisk indtil nu.

Den primære grund til den store interesse for Diracmaterialerne ligger i de elektroniske egenskaber. For at forstå hvorfor disse egenskaber er så specielle, skal man se på materialers konduktivitet – eller ledningsevne. I Diracmaterialerne er de helt ulig dem, vi finder i kendte materialer, fordi der er en ekstremt høj mobilitet i materialet, der lynhurtigt kan overføre energi eller information. Den egenskab kan identificeres ved elektronstrukturen formet som en kegle, som blev beskrevet af Paul Dirac. Finder man denne kegle i et materiale, står man dermed med en kandidat til at udvikle hurtigere teknologi i fremtiden.

I det nye center kombineres teoretiske forudsigelser af ukendte Diracmaterialer med avancerede materialesynteser og eksperimenter, herunder skal partikelacceleratoren ASTRID2 på Aarhus Universitet spille en nøglerolle, da man med dens unikke stråling kan undersøge og efterprøve materialers strukturer og egenskaber.

”De næste fem år vil give os helt særegen viden og unikke muligheder for at identificere materialer med Dirac egenskaber. Centeret bliver en akse mellem verdensførende kræfter indenfor eksperimentel fysik her på Aarhus Universitet og teoretisk modellering på Nordita-instituttet og KTH i Stockholm.

Samarbejdet vil også inkludere stærke bånd til amerikanske og hollandske forskergrupper, og vil dermed kunne dække aspekterne, der skal til for at tage de næste og måske afgørende skridt ind i Diracmaterialernes verden,” slutter professor Philip Hofmann.

Kontakt:
Professor Philip Hofmann,
Institut for Fysik og Astronomi,
Mobil: 2338 2343,
Email: philip@phys.au.dk

Offentligheden / Pressen, Science and Technology