Kondenserade materiens fysik behandlar fysikaliska egenskaper, som exempelvis elektrisk ledningsförmåga, magnetism, värmeegenskaper, atomär och elektronisk struktur, atomär dynamik, difffusion etc, hos kondenserad materia, dvs vätskor och fasta ämnen. Materialområdet spänner över material med vitt skilda egenskaper tex metaller, halvledare, plaster, isolatorer, glasmaterial, vanliga vätskor samt exotiska vätskor som supraflytande helium. Få fysikaliska delområden har haft så stor betydelse för det moderna samhällets teknologi som den kondenserade materiens fysik. Man kan bara nämna några teknikområden som har starka rötter i området, tex halvledartekniken och därmed hela den moderna elektroniken, optisk fiberteknologi som förändrat kommunikation och informationsteknik, samt polymerområdet som bidragit med allt från nya konstruktionsmaterial till plaster som leder ström minst lika bra som koppar. Den största delen av forskningen har hittills gällt kristallina material, dvs material där atomerna är ordnade i periodiska strukturer. Fokuseringen på kristallina material beror till stor del på att den periodiska ordningen av atomerna underlättar både den teoretiska behandlingen av materialen och den experimentella karakteriseringen av struktur och olika fysikaliska egenskaper. Man var länge hänvisad till att försöka förstå relativt enkelt uppbyggda kristaller, men nu kan alltmer komplext uppbyggda material studeras med stor framgång.
Ett mycket intressant exempel på en komplext uppbyggd materialgruppp utgör högtemperatursupraledarna. Upptäckten av denna typ av material, 1986 av Bednorz och Müller, belönades med Nobelpriset redan 1987. Intresset för materialen är enormt, mycket pga de spekulativa egenskaperna; de blir fria från allt elektriskt motstånd och de tränger ut allt magnetiskt fällt vid en specifik kritisk temperatur. Den första egenskapen gör att man kan transportera elektrisk ström i ledningar utan några förluster. Den andra egenskapen medför att supraledaren kan sväva fritt om den befinner sig i ett magnetfält, en egenskap som skulle kunna användas tex för svävande supersnabba tåg. Högtemperatursupraledarnas kritiska temperatur är ca 100 grader högre än de tidigare kända materialen men är fortfarande betydligt lägre än temperaturen en riktigt kall vinterdag. Den högsta uppmätta kritiska temperaturen ligger idag på –110°C. Materialen är relativt komplicerat uppbyggda, se figur 1.
Figur 1. Schematisk atomär struktur av en högtemperatursupraledare, YBa2Cu3O7. Skuggningen markerar de supraledande kopparsyrelagren där ström kan transporteras utan resistans vid temperaturer lägre än -180°C.
De två dimensionella koppar-syre planen (skuggade) är de som bär supraledningen. Resten av strukturen är väsentlig för att ge planen rätt förutsättningar för att bli supraledande, tex rätt laddningsbalans och magnetisk växelverkan. Forskarinsatsen på supraledare är enorm runt om i världen. På Chalmers har man etablerat ett forskningskonsortium, bestående av många olika grupper från fysik, teoretisk fysik, kemi och elektronik, som har blivit ett av Europas ledande centra på supraledning. Inom avdelningen undersöker vi supraledarnas grundläggande egenskaper, tex själva orsaken till supraledningen med olika laserspektroskopimetoder i egna laboratorier samt med neutronspridning vid stora internationella forskningscentra.
Inom den kondenserade materiens fysik sker förnärvarande en mycket snabb utveckling inom sk mjuka materia, exempelvis polymerer, glaser, vätskekristaller, kolloider, geler, biologiska makromolekyler och membran, dvs mot alltmer komplexa och oordnade icke-kristallina material. Materialen är intressanta såväl för sin tekniska användbarhet som för fundamental fysik gällande oordnade system. Den oordnade mikrostrukturen tillåter stora variationer av den kemiska kompositionen och därmed kan önskade egenskaper kontrolleras över stora intervall, tex vad gäller ledningsförmåga, magnetiska eller mekaniska egenskaper. Man kan också tillsätta funktionella molekylära grupper till ett givet material för att uppnå de önskade egenskaperna. Man talar här om ”molecular engineering”, dvs att materialen byggs upp, eller ”skräddarsys” på molekylär nivå för att få speciella egenskaper. I en kristallin struktur är det normalt betydligt svårare och oftast omöjligt att göra sådana förändringar av sammansättningen. Det är också oftast lättare att tillverka glas och polymermaterial i önskad konfiguration, det må gälla i form av tunna filmer eller i större bitar, än motsvarande kristallina material. Forskningsområdet är mycket tvärvetenskapligt och det är nödvändigt med nära samarbeten med forskare från andra områden tex kemi, materialvetenskap, biologi, och elektronik. Utvecklingen mot komplex mjuk materia kräver ny fysik; nya modeller, teorier och koncept samt också nya experimentella metoder.
Trots den stora komplexiteten och de olika typerna av oordnade material är det förvånande hur snarlika egenskaperna är. Vitt skilda material med helt olika växelverkan mellan molekylerna eller atomerna (jonbindning, van der Waal, kovalent eller vätebindnings-typ) uppvisar tex mycket likartad struktur på intermediär skala dvs på ca 5-20 interatomavstånd, samt likartade rörelser av molekylerna. Man talar om ”universella egenskaper” för oordnade system. Att finna de bakomliggande förklaringarna utgör en lockande utmaning för dagens fysiker och kemister. Ett exempel på intressant forskning om mjuk materia gäller hur glasmaterial bildas från vätskor som underkyls. Molekylernas rörelsedynamik vid glasövergången spänner över ett enormt intervall från en hundratusendel av en miljarddels sekund, vilket motsvarar mikroskopisk molekylära rörelser, till 1000-tals sekunder, vilket svarar mot den kollektiva rörelsen av molekylerna då glaset stelnar. Man kan få ett perspektiv på tidsområdets omfattning genom att betänka att en förlängning mot längre tider med samma antal tiopotenser motsvarar ungefär universums ålder. För att testa nya teorier om hur infrysningen går till har vi använt en kombination av olika avancerade laserspektroskopiska tekniker samt neutronspridningstekniker vid stora internationella forskningscentra för att täcka det enorma tidsfönster som krävs för att följa molekylernas rörelser då de kyls och ”fryser fast” då ett glas bildas.
Figur 2. Mikroskopisk uppbyggnad av ett jonledande glas. Bilden visar endast boratomer (små) och syreatomer (stora) som tillsammasn bildar ett stabilt oordnat ramverk. I ramverkets hålrum och kanaler kan olika joner, t ex silver- eller litiumjoner (visas ej på bilden), transporteras lika lätt som i en vattenlösning.
Kunskaperna från enklare uppbyggda oordnade material har använts för att söka förståelse för funktionen hos mer komplicerade glas och polymermaterial med egenskaper intressanta för nya tillämpningar. Exempel på material som förväntas få stor betydelse i framtida tekniska tillämpningar är tex jonledande glaser och polymera elektrolyter. Jonledande glaser kan användas som elektrolyter i mikrobatterier, så små att de kan varvas med andra komponenter i helt nya typer av tredimensionella mikroelektronikkretsar. Storleken på de integrerade kretsarna krymper därmed drastiskt och snabbheten ökar dramatiskt, vilket inte är minst viktigt för framtidens datorer. Ett exempel på ett jonledande glas oordnade atomära struktur visas i figur 2. Bilden av strukturen har erhållits från en kombination av röntgen och neutronspridningsmätningar samt avancerade datorsimulationsmetoder.
De polymera elektrolyterna utgör en viktig komponent i framtidens plastbatterier. Plastbatterierna förväntas bli lösningen på problemet med strömförsörjningen i framtidens elbilar då de har mycket hög energitäthet och låg vikt. De är dessutom miljövänliga i sig själva eftersom de inte innehåller några tungmetaller i motsats till de flesta andra batterityper.
Figur 3. Schematisk bild av den komplexa strukturen hos en proteinmolekyl. Den är uppbyggd av en blandning av olika sekundära strukturer, exempelvis spiralformade a-helixar och plana b-lager, som i sin tur är uppbyggda enligt detaljförstoringarna.
Nya utmaningar inom området mjuk materia består i att söka förstå biologiska system utifrån de generella koncept som utvecklats för oordnade och komplexa material. Strukturen hos olika biomolekyler, tex proteiner och DNA, är mycket komplicerad, se figur 3. De kan därför betraktas som exempel på komplexa och oordnade system och det har visat sig att rörelserna hos biomolekylerna på många sätt liknar de hos vanliga glaser. Det finns dock viktiga skillnader som är avgörande för biomolekylernas specifika funktioner i levande materia. En intressant aspekt på detta är att om biomolekylers rörelser var lika slumpmässiga som de i ett glas eller en vanlig polymerkedja så skulle biomolekylerna behöva praktiskt taget oändlig tid för att uppnå rätt hopvecklad form för sina specifika biologiska funktioner. Studier av biomolekylers dynamik kräver många olika tekniker. I nyligen påbörjade samarbetsprojekt gällande olika proteiner bidrager vi med vår expertis på laserspektroskopi och neutronspridning i komplexa material.
(Texten publicerades 1995 i skriften Ny kunskap.)