Nya världar öppnar sig – på miljarddelar av en mikrosekund

Nya världar öppnar sig – på miljarddelar av en mikrosekund

Strålröret FemtoMAX vid MAX IV-laboratoriet ska med hjälp av extremt korta ljuspulser ge forskarna ny kunskap om kemiska reaktioner och egenskaper i fasta material. Forskare från en mängd olika områden står redan i kö för att få använda det nya verktyget. Projektledaren Jörgen Larsson hoppas bland annat kunna få fram kunskap som ska göra det möjligt att framställa perfekta diamanter ur vanligt kol.

Det var långt ifrån självklart att Jörgen Larsson skulle bli professor i atomfysik. Under tonåren var han egentligen mest intresserad av samhällsvetenskap, men en gymnasielärare i matematik fick honom på andra tankar.

– Precis som många andra valde jag naturvetenskaplig linje på gymnasiet för att den gav den bästa bredden, med både natur- och samhällsvetenskapliga ämnen, berättar Jörgen Larsson. Matematik hade aldrig intresserat mig speciellt mycket, men jag fick en fantastisk lärare i ämnet. Hon fick mig att inse att matten kunde vara både kul och väldigt användbar. Och eftersom just matematik är grundläggande i de olika ingenjörsvetenskaperna så gav det intresset stora möjligheter när det var dags att välja universitetsutbildning.

Jörgen Larsson valde att läsa teknisk fysik på LTH, enligt honom den bredaste ingenjörsutbildningen med möjlighet till specialisering inom en rad olika grenar.

– Jag valde kurser helt efter vad jag tyckte var roligast och blev tidigt intresserad av optik. Även på universitetet var det i stor utsträckning duktiga lärare som väckte lusten att lära mer och från optiken är steget inte långt till atomfysiken, som ju i grunden handlar om optisk mätteknik.

Examensarbetet gjordes inom området resonansspektroskopi, en avancerad mätteknik för att mäta hur atomens kärna påverkar dess elektroniska tillstånd. Året var 1987 och den fysiska institutionen växte så det knakade. Sju år tidigare hade Sune Svanberg tillträtt som professor i atomfysik och detta blev början på en närmast hisnande utveckling där mättekniken tog stora steg framåt och skapade avknoppningar inom en mängd olika områden, både inom forskningen och kommersiellt genom nya innovationsföretag. Jörgen Larsson sökte och fick en doktorandtjänst med inriktning mot spektroskopiska mätningar.

– Jag började forska under en väldigt spännande tid. Fysiska institutionen var fortfarande en ganska liten miljö och det fanns inga skarpa gränser mellan de olika avdelningarna. Under doktorandtiden arbetade jag mest med grundforskning. Men jag fick också tillfälle att lära mig av och ibland hjälpa kollegor som arbetade med att ta fram laserbaserade mätmetoder för förbränningsförlopp och så kallad fotodynamisk terapi mot hudcancer. Doktorandtjänsten sträckte sig över fyra år, men jag tog längre tid på mig, eftersom jag inte kunde motstå frestelsen att under ett par år jobba på Lunds högeffektslaserlaboratorium, med att ta fram olika typer av laserljus, specialanpassade för olika mätbehov.

Efter disputationen 1994 följde tre år utomlands som postdok. Först vid Imperial College i London, därefter ett par år vid Berkeley i Kalifornien, där Jörgen Larsson fick möjlighet att arbeta tillsammans med en av de ledande materialforskarna i världen, professor Roger Falcone och dennes forskningsgrupp.

– Precis i den här vevan hade Berkeleys egen synkrotronljusanläggning, ALS – Advanced Light Source – blivit klar och Roger Falcone fick frågan om han kunde hjälpa till att utveckla tidsupplösta experiment med hjälp av korta ljuspulser. Jag fick ”jobbet” tillsammans med en doktorand och det blev min ingång i synkrotronljusvärlden.

Ett tidsupplöst experiment kan enkelt förklaras som att man, istället för en stillbild, får en filmsekvens över ett extremt snabbt förlopp, till exempel en kemisk reaktion som sker inom loppet av några miljarddelars mikrosekunder (1 femtosekund = 1 miljarddels mikrosekund). På det sättet kan forskarna få fram helt ny kunskap på atom- och molekylnivå om hur olika material fungerar och reagerar på yttre påverkan.

– Vi gjorde bland annat tidsupplösta mätningar på olika halvledarmaterial där vi i detalj kunde studera exakt hur de förändrades vid uppvärmning, en kunskap som kunde användas för att få fram ännu bättre och snabbare material.

Tiden i Silicon Valley gav många erfarenheter, såväl i den egna forskningen som på andra plan. Närheten till många av de ledande elektronikföretagen i Silicon Valley skapade en alldeles speciell atmosfär och en känsla av att befinna sig i händelsernas centrum. Jörgen Larsson har också mycket gott att säga om den amerikanska forskningsfinansieringen, som är mer långsiktig än den svenska.

– Medan vi i Sverige måste lägga ner massor av energi för att söka pengar vart fjärde år har de amerikanska seniora forskarna ofta en mer långsiktig finansiering som inte är direkt knuten till specifika forskningsprojekt. Det gör att de vågar ta större risker och det är inte ovanligt att de byter forskningsområde, helt enkelt eftersom de gör nya upptäckter under resans gång. Den ekonomiska tryggheten skapar en dynamik som i många fall saknas i den svenska forskningsvärlden.

Men i det soliga Kalifornien fanns också en skuggsida i form av stora sociala spänningar och skillnader mellan fattiga och rika. Dessa gjorde sig efterhand alltmer påminda och fick Jörgen Larsson att fundera över vilket samhälle han ville vara delaktig i. År 1997 gick flyttlasset tillbaka till Sverige och Lund.

– Jag fick en forskarassistenttjänst vid Fysiska institutionen, finansierad av vetenskapsrådet. Uppgiften var att skapa förutsättningar för tidsupplösta experiment vid MAX II och så småningom lyckades vi få loss pengar till att bygga ett strålrör för de extremt korta ljuspulser som krävs. Detta strålrör, med beteckningen D611, har varit i drift sedan 2001 och kommer att göra sin sista arbetsdag på Luciadagen – 13 december – i år efter att ha utfört mängder av avancerade experiment som bidragit till att föra kunskapsfronten framåt. Mina sju första doktorander gjort sitt huvudsakliga forskningsarbete med hjälp av det strålröret.

Det går en röd tråd från det att Jörgen Larsson och hans kollegor inledde arbetet med D611-strålröret år 1999, fram till skapandet av FemtoMAX, det strålrör i MAX IV-laboratoriet som inom kort kommer att öppnas och möjliggöra experiment på en helt ny nivå.

– Ja, visionen att bygga MAX IV fanns med oss redan då vi byggde det första strålröret, så man kan nog säga att jag har jobbat med FemtoMAX för ögonen ända sedan dess. Efter många tusen arbetstimmar och oändliga mängder beräkningar och simuleringar är vi nu nära målet. Den 300 meter långa linjäracceleratorn som genererar en elektronstråle med tillräckligt hög energi är i drift sedan augusti (2015). Den Short Pulse Facility (SPF) som genererar de extremt korta elektronpulser vi behöver är i princip klar att tas i bruk. I våras lyckades vi åstadkomma det första röntgenljuset och i slutet av oktober, efter tillstånd från strålskyddsmyndigheten, kunde vi för första gången öppna slutaren och släppa in röntgenfotonerna i strålröret. Ännu återstår mycket arbete med inställningar och finjustering för att få allt att fungera perfekt, men vi räknar med att kunna släppa in de första användarna under 2016 och därefter öka antalet experiment successivt.

Jörgen Larsson har med andra ord under många år av sitt liv ägnat själ, hjärta och hjärna åt att utveckla en avancerad maskin. Ändå är det inte maskinen i sig som intresserar honom mest, utan de nya världar den kommer att kunna hjälpa oss att upptäcka.

Madeleine_Schoug-5058
Jörgen tillsammans med kollegan Henrik Enquist vid strålröret FemtoMAX.

– Maskinen är som snickarens hammare. Det är inte hammaren i sig som är det viktiga, utan vad man kan åstadkomma med den. MAX IV och FemtoMAX-strålröret kommer att skapa fantastiska möjligheter. Vi kommer bland annat att kunna studera blixtsnabba molekylrörelser i fasta material och få helt ny kunskap om hur vi kan styra kemiska processer. I förlängningen kan det till exempel handla om att kunna skapa en konstgjord fotosyntes som effektivt och miljöneutralt utvinner energi från solljus, öka packningstätheten i ferroelektriska minnen med enorm lagringskapacitet, mångdubbla skrivhastigheten på en DVD-skiva eller framställa diamanter från vanlig grafit.

Det sistnämnda är något som särskilt intresserar Jörgen Larsson. Diamant består ju till 100 procent av kolatomer med mycket starka bindningar och i tidigare experiment har det visat sig vara möjligt att skapa diamanter i mikroskala genom att beskjuta grafiten – kol med mycket lösa bindningar – med laserstrålar. Med FemtoMAX-strålröret kommer man att kunna studera omvandlingsprocessen i realtid och kanske lägga grunden till en industriell process med större diamanter.

– Men det här är bara några av de oändligt många kunskapsområden som kommer att kunna få svar på viktiga frågor genom det verktyg vi skapar. Verktyget kommer att användas av forskare i de mest skilda discipliner från hela världen som kommer att studera allt från fasta ”döda” material till molekyler som bygger upp levande celler. Mina och mina kollegors arbetsuppgifter kommer att förändras från ett uppbyggnadsarbete till att skapa bästa möjliga förutsättningar för de forskare som kommer hit för att genomföra sina experiment. MAX IV kommer att vara en oerhört spännande arbetsplats under många år framöver.

Fysiker har ofta kritiserats för att vara dåliga på att förklara vad man ska ha deras forskning till. Det är naturligt, eftersom väldigt mycket av fysiken handlar om grundforskning, med tillämpningar som kan vara höljda i dunkel och ligga långt fram i tiden. Och även om Jörgen Larsson drivet berättar om tillämpningar för både atomfysiken och materialforskningen, så är det grundforskningen som ligger honom varmast om hjärtat. Den forskning som drivs av nyfikenheten och viljan att förstå världen omkring oss och i vars natur det ligger att inte vara omedelbart ”nyttig” och möjlig att omsätta i nya produkter och processer.

– Grundforskningen är ibland svår att förklara, men den är samtidigt helt nödvändig. Ta till exempel Sune Svanbergs forskning och utvecklingsarbete kring laser. För 35 år sedan var det ingen som kunde förutse de fantastiska tillämpningar vi idag ser inom vitt skilda områden, som mätning av luftföroreningar och behandling av hudcancer. Den forskningen har inte bara lett till att kunna bota människor från livshotande sjukdomar, utan också till att vi fått renare luft och att en rad framgångsrika företag sett dagens ljus. Den har också satt andra forskare på spåret och lett till nya uppslag och upptäckter inom områden som den på ett eller annat sätt snuddat vid. Just därför är grundforskningen så viktig. Vi kan inte svara på frågan om vad dagens materialforskning kommer att leda till inom de närmsta 35 åren och det är just därför vi inte har råd att låta bli. En bra, fri och bred grundforskning är en absolut förutsättning för tillämpad forskning med en mer uppenbar ”nytta” så småningom, men ingen kan förutse var de stora genombrotten kommer att ske.

Jörgen Larsson upplever att det finns ett stort intresse för fysik bland dagens unga. Det är en god tillströmning till fysikutbildningarna och det är mellan 40 och 100 sökande till varje doktorandtjänst, varav oftast fem till tio är mycket högt kvalificerade. Idag delar han sin tid mellan institutionen för atomfysik och MAX IV-laboratoriet och har tjänsterum på båda ställena. Trots den höga arbetsbelastningen har han tid att handleda tre doktorander och för tillfället undervisar han även på två kurser i laserfysik på grundutbildningen.

– Att undervisa är en viktig och stimulerande uppgift som ger mycket tillbaka – jag vet ju av egen erfarenhet vad en bra lärare kan betyda för hur ett intresse uppstår. Det är bland studenterna vi hittar dem som ska fortsätta föra forskningen framåt.

Text: Arne Berge

Foto: Madeleine Schoug