Presentation
Chalmers / RISE Weyl-halvledare

Deras forskning kan leda till bättre mått på ström

Publicerad 11 juni 2025
Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto
Karin Cedergren, enhetschef vid RISE, Thilo Bauch, docent vid Chalmers, Tobias Bergsten, forskare vid RISE och Floriana Lombardi, professor vid Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto
Karin Cedergren, enhetschef vid RISE, Thilo Bauch, docent vid Chalmers, Tobias Bergsten, forskare vid RISE och Floriana Lombardi, professor vid Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Ett nytt samarbete mellan Chalmers tekniska högskola och forskningsinstitutet RISE kan på sikt leda till ett mycket exaktare mått på elektrisk ström och oräkneliga praktiska tillämpningar. För att nå dit används nyupptäckta material med ovanliga egenskaper.

Hur kan man skapa exakta mätningar av små strömstyrkor som både är robusta och har små felmarginaler? Och som genom just denna exakthet kan ge förbättrad utrustning för att mäta stråldoser, precisera cancerbehandlingar, analysera luftkvalitet och åtskilligt annat?
Ett nytt samarbete mellan Chalmers tekniska högskola och forskningsinstitutet RISE siktar på att göra just detta. Forskningen leds av Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik vid Chalmers.
– Vi siktade in oss på relativt nyupptäckta så kallade Weyl-halvledare, förklarar Floriana Lombardi.
Det unika är att elektronerna i Weyl-halvledare, givet specifika villkor, inte så lätt kan ändra riktning när de stöter på hinder. Det gör dem mycket lovande för olika tillämpningar, exempelvis inom kvantmetrologi för noggranna realiseringar av strömenheten, ampere, vilket i sin tur är en förutsättning för att kunna mäta små strömmar med hög noggrannhet.
Befintlig utrustning för att realisera små strömmar, såsom traditionella en-elektronspumpar (SEP) i metall eller halvledarmaterial, har bland annat haft nackdelen att elektronerna ibland också kan tunnla bakåt, vilket gör att fel infinner sig och pålitligheten minskar.

Ett mått på framgång
För att lyckas med forskningen har Chalmersforskarna gjort gemensam sak med forskningsinstitutet RISE enhet för temperatur och elektrisk primärmetrologi i Borås. RISE blev mycket intresserade av projektets potential att kunna skapa en förfinad realisering av ampere. För även om en definition på ampere finns i SI-systemet behöver man även skapa en stabil känd referens för enheten – och det är det som avses med en realisering av en enhet.
– Sedan 2019 baseras definitionen av ampere på elementarladdningen. Så optimalt sett vill man räkna antalet elektroner, eller hål, som passerar per tidsenhet, förklarar Karin Cedergren, enhetschef för RISE enhet för temperatur och elektrisk primärmetrologi.

Laddar för framtida tillämpning
I det aktuella projektet används Weyl-halvledare för att bygga en topologiskt skyddad laddningspump. Det är ett verktyg som ska kunna räkna laddningar och på så vis realisera strömenheten med högsta möjliga precision. En sådan lösning är mycket eftertraktad både i grundforskning och industri.
– Den blir ganska robust. Så även om man inte har en idealisk struktur eller idealiska förutsättningar får man ändå en mycket noggrann pump, säger Tobias Bergsten, forskare inom elektrisk metrologi vid RISE.
Just samarbetet mellan Chalmers och RISE är en avgörande framgångsfaktor inom projektet. Genom detta kombineras akademisk spetsforskning med forskningsinstitutets kunskaper inom precisionsmätning, mätstandarder och möjliga industriella tillämpningar.
– Det kan till exempel handla om kvantsensorer i olika former där utsignalen är en mycket liten ström. Om man kan tillverka en robust laddningspump kan man omedelbart hitta industriell och internationell användning för den, säger Karin Cedergren.
Möjliga tillämpningar skulle kunna vara förbättrad dosimetri för att övervaka exponering för strålning eller bättre miljömätning av skadliga partiklar i luften.
Inom ramen för projektet har RISE fått stöd från Stiftelsen för strategisk forskning, SSF, för att anställa en institutsdoktorand som ska tillbringa en stor del av tiden i Chalmers lokaler.

Topologiska isolatorer
Floriana Lombardis forskningsgrupp har arbetat med dessa frågor i över tio år, både i EU-projekt och inom andra projekt.
– Men det är ett högriskprojekt. Vi vet fortfarande inte vad som kommer ut av det, eller om nya problem kan uppstå, kommenterar Thilo Bauch, docent i kvantkomponentfysik vid Chalmers.
Samtidigt är möjligheterna betydande – både när det gäller att förbättra internationella mätsystem och att bygga morgondagens instrument för högkvalitativ medicin och miljövård.
– Det är mycket viktigt med den fria forskningen vid akademin, där man inte i förväg vet vad som händer. Sedan kan vi komma in och plocka upp intressanta saker och föra ut dem till industrin, sammanfattar Karin Cedergren RISE syn på samarbetet.

Weyl-halvledare – Chalmers / RISE

Ett nytt forskningsprojekt där kvantmaterial används för att utveckla noggrannare laddningspumpar. I första hand syftar projektet till att åstadkomma en noggrannare realisering av strömstyrka mätt i ampere. På sikt finns många möjliga tillämpningsområden, inklusive att kunna ta fram noggrannare dosimetrar för personligt strålskydd eller för att mäta strålning vid cancerbehandling med högre precision. Ansvarig vid Chalmers är Floriana Lombardi, professor i kvantkomponentfysik. Ansvarig vid RISE är Karin Cedergren, enhetschef inom temperatur och elektrisk primärmetrologi.
Projektet finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning med 3,25 miljoner kronor, som ska gå till en en institutsdoktorandtjänst där RISE är arbetsgivare men där doktoranden kommer att tillbringa avsevärd tid i Chalmers lokaler.

chalmers.se
ri.se