Fysikdoktorander prisades för sina avhandlingar

De två nyblivna fysikdoktorerna Adriana Canales Ramos och Raul Perea-Causin prisades för sina doktorsavhandlingar med titlarna Strong Light-Matter Coupling: the Road from Conventional to Cavity-Free Polaritons, respektive Microscopic Theory of Charge Complexes in Atomically-Thin Materials.

Här berättar de mer om sin forskning och delar med sig av sina bästa knep för att skriva en vinnande avhandling.

Visar att polaritoner är mer vanligt förekommande än man trott

Polaritoner är en hybrid av ljus och materia, och de står i fokus i Adriana Canales Ramos doktorsavhandling.
– Man har studerat polaritoners spännande egenskaper med hjälp av komplexa prover och uppställningar under lång tid. Min avhandling visar att det är lättare än man tidigare trott att få tag i polaritoner, säger hon.

Vi uppfattar och utforskar världen omkring oss genom hur ljus interagerar med materia. I de flesta interaktioner förändrar inte ljuset materians egenskaper, så kallade svaga interaktioner. Adriana Canales Ramos avhandling fokuserar istället på den starka regimen när ljus och materia hybridiserar. Kvasipartikeln polaritonen beskriver dessa egenskaper och sådana har Adriana Canales Ramos skapat. De kan vara komplicerade att tillverka, eftersom man först behöver extremt bra ljusresonatorer, eller hålrum, som fångar ljuset tillräckligt länge för att kunna interagera starkt med materialet.

– Som många andra började jag tillverka prover i vårt renrum med enkla guldspeglar för att bilda mikrokaviteter. Sedan märkte vi att kollodiala nanoflagor av guld själva parar ihop sig och skapar mikrokaviteter med resonanser i det synligt våglängsområdet! De är perfekta för att starkt kopplas till vissa 2D-material. Dessa självmonterade mikrokaviteter gjorde inte bara att vår tillverkning av prover förenklades, utan gav oss också möjlighet att passivt och dynamiskt ställa in polaritoniska egenskaper, vilket är en utmanande uppgift i många andra uppställningar, säger hon.

Polaritoner kan förekomma i moln

Senare kunde Adriana Canales Ramos teoretiskt visa att vissa materials geometrier lämpar sig extra bra för ändamålet. Deras optiska former fångar ljus tillräckligt länge för att interagera starkt med det utan att behöva externa kaviteter. Dessa material får så att säga en kavitet ”på köpet” och hybridiserar av sig själva, vilket skapar polaritoner utan invecklad tillverkning. Hennes senaste arbeten fokuserade på att mäta dessa kavitetsfria självhybridiserade polaritoner i 2D-material och vattendroppar.

– Mitt senaste projekt visar att polaritoner är vanligare än man trott, eftersom de till och med kan förekomma naturligt i vattendroppar i moln!

Även om Adriana Canales Ramos huvudsakliga forskningsområde under doktorsstudierna handlade om polaritoner, fick hon också möjligheten att arbeta med olika projekt som bidrog till olika områden, som Casimir-fysik, Mie-resonanser och perfekta absorberare. Hon fann att det var lite av en utmaning att sammanfatta allt material på ett sammanhängande sätt i avhandlingen.

– En del av dessa resultat kunde inte belysas i avhandlingen på grund av utrymmesbegränsningar. Jag är dock mycket nöjd med den slutliga avhandlingen eftersom jag tydligt kunde förmedla mina huvudbudskap. Å andra sidan var det lättare, och mer känslomässigt, att skriva vilka jag ville tacka. Trots utmaningarna en doktorsexamen innebär hade jag fantastiska mentorer och kollegor, så det var lätt att skriva om hur underbara de var och hur tacksam jag är att ha korsat deras vägar, säger hon.

– Det känns underbart att få detta pris! Jag är extremt lycklig, och jag känner mig tacksam och stolt. Jag lade ned mycket entusiasm i skrivandet av min avhandling. Att se att andra människor uppskattade den och fann den intressant gör mig verkligt glad.

Hitta de viktigaste budskapen först

Om hon skulle ge råd till andra doktorander som är i färd med att skriva en avhandling, skulle det vara att försöka mejsla fram de viktigaste budskapen innan skrivprocessen, eftersom det kommer att göra det lättare att hitta en storyline.

– Sedan bör resten av avhandlingen ge sammanhang och resultat för att stödja dessa budskap. Du kommer att skriva mycket snabbare om du har klarhet från början. Utöver praktiska råd kommer du i slutet av din doktorsexamen att ha skaffat omfattande kunskaper om ditt forskningsområde. En del av denna kunskap kan vara unik för dig och några få andra. Ta chansen att framhäva dina viktigaste fynd och uttrycka dina åsikter. Skriv något som du själv skulle tycka vore intressant att läsa. Slutligen, försök att njuta av skrivprocessen så mycket som möjligt. Den kommer att vara över snabbare än du tror.

Adriana Canales Ramos har nu börjat en tjänst som ingenjör inom Photonics Applications (fotoniska tillämpningar) på Thorlabs Sweden. Hon betonar att hennes doktorandår har lärt henne många saker, som att utveckla färdigheter inom organisering, kommunikation, samarbete och ledarskap.

– Jag utvecklade dessa förmågor genom att arbeta med min forskning, i studentkårer, undervisning och i vissa kurser, inklusive Genies workshops. Jag har lärt mig att effektivt kommunicera komplexa koncept till olika publiker genom undervisning och deltagande i konferenser. Jag förbättrade mina kommunikationsfärdigheter genom att skriva artiklar med informativa och vackra illustrationer. Jag är nu mer självsäker när det gäller att lära mig nya tekniska färdigheter och att ifrågasätta etablerad kunskap på ett kreativt sätt, säger Adriana Canales Ramos.

– Dessutom har jag blivit mycket bättre på att prioritera och organisera uppgifter, och att förstå mitt och andras sätt att arbeta. Jag upptäckte att jag är bra på att nätverka och att jag tycker om att samarbeta. Även om mina projekt ibland kändes som ensamarbete, hade jag många diskussioner och till och med anslöt mig till andra projekt bara för att det var kul att samarbeta med andra. Vi blir bättre när vi jobbar tillsammans. Jag tar med mig allt detta till framtiden och är tacksam för de lärdomar jag fått på Chalmers.

Priskommitténs motivering:

Adriana presenterade en avhandling om stark ljusmateria-interaktion i form av polaritoner. Vi imponerades av forskningens kvalitet, djup och bredd. Förutom originellt och fascinerande experimentarbete utförde Adriana teoretiska projekt med djup och förståelse som är sällsynta i den här typen av kombinerade avhandlingar. Inom sin avhandling presenterade hon en utmärkt personlig reflektion över vad det innebär att vara doktorand. Kommittén tog del av hennes arbete med stort intresse och avhandlingen var ett nöje att läsa tack vare pedagogiken, de tydliga sammanhangen och dess enhetlighet.

Ger en bättre förståelse för egenskaperna hos atomärt tunna halvledare

Halvledare, som kan anpassas till att leda elektricitet eller för att isolera, spelar en central roll i de elektroniska enheter som vi använder dagligen. När materialens tjocklek minskas till ett enda atomskikt får dessa exceptionella egenskaper som skulle kunna öka effektiviteten hos befintliga enheter eller till och med leda till helt nya teknologier.
I sin avhandling har Raul Perea-Causin undersökt en klass av halvledande material som bara är några atomer tjocka.

– Mitt arbete har bidragit till en bättre förståelse av de optiska och elektroniska egenskaperna hos atomärt tunna halvledare, säger Raul Perea-Causin, och berättar sedan vidare om vad han studerat i sin avhandling:

– Med en löjligt liten tjocklek – de är hundra tusen gånger tunnare än ett papper – kan dessa material till exempel absorbera upp till 20 procent av det infallande ljuset. Detta är en följd av en grundläggande kvanteffekt: det infallande ljuset exciterar elektroner till tillstånd med högre energi, och dessa elektroner attraheras till de “hål” som de lämnar efter sig eftersom de har motsatt elektrisk laddning. Som ett resultat binder sig elektroner och hål samman till par som kallas excitoner. Den effektiva ljusabsorptionen är en direkt följd av den starka bindningen mellan dessa partiklar, säger Raul Perea-Causin.

Kvantmekaniska modeller

I den första delen av sin doktorsavhandling har han tagit fram kvantmekaniska modeller för att förstå mekanismerna bakom bildandet och spridningen av excitoner samt deras dissociation till obundna elektroner och hål.

– Mitt arbete har varit särskilt väsentligt för att förklara den experimentella observationen av formationsdynamiken hos så kallade mörka excitoner, och deras spridning och utveckling till en haloform. Under de senare stadierna av min forskning undersökte jag trioner; exciton-elektronkomplex som bildas genom att lägga till elektroner i systemet.

Här föreslog Raul Perea-Causin hur spridningen av trioner kan förbättras genom att utnyttja deras kvantnatur och visade att deras interna struktur påverkar stabiliteten och ljusemissionen av dessa partiklar.

Raul Perea-Causin kommer nu att fortsätta sin vetenskapliga karriär vid Stockholms universitet, där han kommer att undersöka en annan aspekt av atomärt tunna material relaterade till deras kvanttopologi.

– Under min doktorandstudietid har jag blivit en självsäker och självständig forskare, vilket är precis vad jag behöver för att möta de nya utmaningar som väntar mig!

När han frågades hur det känns att bli belönad för sin avhandling svarar han:

– Det känns fantastiskt, så klart! Det är mycket belönande att bli erkänd för mitt hårda arbete, och det är så klart en moralboost att kommittén ansåg min forskning vara av högsta kvalitet.

En tydlig röd tråd

Det som kändes lätt när han skrev avhandlingen, var att komma på dess uppbyggnad. De olika projekt han var involverad i var naturligt sammanlänkade, därför var den röda tråden i avhandlingen tydlig redan innan skrivprocessen påbörjades.

– Den svårare delen var att hitta balansen mellan att täcka de viktiga detaljerna och att hålla texten kortfattad och lätt att följa. Jag hoppas att jag lyckades med det. Mitt bästa råd till andra som ska skriva en avhandling är att planera den väl. Bestäm titeln och strukturen för avhandlingen tidigt, och planera sedan hur lång tid det kommer att ta att skriva varje kapitel. Se till att lämna tillräckligt med ledig tid före deadline för att hinna med att gå igenom din text igen och för att kunna kompensera för eventuella förseningar. Se också till att inte fastna i detaljer, utan fokusera på att slutföra varje kapitel även om du inte är nöjd med resultatet — du kommer att hitta sätt att förbättra allt när du väl har en text att utgå från.

Priskommitténs motivering:

"Raul presenterade ett teoretiskt arbete om laddningskomplex, såsom excitoner eller trioner, i atomtunna material. Vi imponerades av forskningens kvalitet och kvantitet samt bredden och djupet i Rauls avhandling. Avhandlingen är extremt tydlig och lättläst även för personer utanför fältet. Rauls sätt att skriva – kortfattat och pedagogiskt – gör det lätt att följa vägen från teori, till lösningen av problem, och de slutliga resultaten och deras betydelse."

Om priset Best Thesis Award

• "Best Thesis Award" grundades 2013, som ett av flera initiativ vid institutionen för fysik, för att upprätthålla och förbättra forskningens kvalitet. Med denna utmärkelse vill institutionen motivera studenter och samtidigt visa uppskattning för deras hårda arbete.
• Avdelningsledningen hoppas också att detta pris kan hjälpa doktorander att få ett extra uppsving i sin karriär efter disputationen. Dessa ”utmärkta” avhandlingar kan även fungera som goda exempel för doktorander i det tidiga stadiet i skrivandet av sin avhandling. Förutom äran består utmärkelsen av ett diplom och 10 000 SEK.
• Priskommittén för årets pris bestod av Dinko Charakov, Magnus Hörnqvist Colliander, Matthias Geilhufe, Hana Jungova, Julia Maibach, Paolo Vinai och Julia Wiktor (ordförande).