Den unge forsker Ellen Fogh

Ellen har læst en kandidat i fysik og nanoteknologi på DTU og skriver nu en ph.d. som hun bliver færdig med i slutningen af 2018. Hun forsker i materialer, og forsøger at forstå deres fundamentale egenskaber og de fysiske mekanismer bag. Målet er at kunne forstå egenskaberne så godt, at nye materialer med nye smarte funktioner kan designes.

I forbindelse med at Ellen er blevet mor, er hun også begyndt at tænke mere på miljøet, hvorfor hun også har en forhåbning om at hendes forskning kan være med til at passe på vores jordklode: ”Forhåbentligt kan min forskning føre til, at der udvikles elektronik, som f.eks. bruger mindre energi eller, at der udvikles mindre miljøskadelige elektroniske komponenter til computere og telefoner.”

Magnetoelektriske materialer

I sit Ph.d.-projekt studerer Ellen magneter. Det er ikke bare køleskabsmagneter men en klasse af magnetiske materialer, hvor de magnetiske og elektriske egenskaber er koblet sammen – såkaldte magnetoelektriske materialer. Derudover bliver nogle af dem også brugt i Li-batterier. Der er mange materialer, som enten er magnetiske eller elektriske, og så er der materialer, som har begge egenskaber, men uden at egenskaberne er koblede. Det særlige ved Ellens materialer er, at der i materialerne netop er en stærk kobling mellem de magnetiske- og elektriske egenskaber, hvilket vil sige, at man kan påvirke den ene egenskab indirekte ved at påvirke den anden.

For at kunne forstå den magnetoelektriske kobling i materialerne, forsøger Ellen at kortlægge hvordan atomerne sidder i forhold til hinanden, og hvordan de magnetiske momenter vekselvirker. Det giver indsigt i de fysiske mekanismer bag både de magnetiske- og elektriske egenskaber men også koblingen mellem dem. En sådan forståelse vil kunne hjælpe i udviklingen af nye materialer, der er skræddersyet til deres formål: ”Ideelt set håber jeg, at jeg med min forskning kommer til at forstå hvordan mekanismen mellem de elektriske og magnetiske egenskaber hænger sammen. Hvis jeg kan skabe denne insigt kan det måske føre til, at materialerne kan modificeres, og at vi kan designe nye materialer, som kan præcis det, vi gerne vil have, at de skal kunne”, uddyber Ellen.

I sit projekt undersøger Ellen materialer, der indeholder forskellige blandinger af de magnetiske ioner kobolt og nikkel, og nikkel og jern. Hun sammenligner de blandede materialers koblingsegenskaber med de rene og velkendte materialers koblingsegenskaber, og Ellens forsøg viser, at den magnetoelektriske kobling netop påvirkes af blandingsforholdet mellem de forskellige magnetiske ioner. I sine forsøg har Ellen også opdaget noget andet, som man ikke vidste før: De magnetiske momenter i materialerne med ren nikkel og ren jern peger i hver deres retning, men når de to ioner blandes, peger alle de magnetiske momenter pludselig i en helt tredje retning. Den oprindelige hypotese var, at de magnetiske momenter i materialerne enten ville gøre noget hver for sig eller indgå i en form for kompromis.

Ellen har også undersøgt, hvordan den magnetoelektriske kobling i det rene nikkel system opfører sig, når materialerne bliver udsat for et kraftigt eksternt magnetfelt. Hendes forskning viser, at koblingen mellem de magnetiske- og elektriske egenskaber forsvinder, når nikkel udsættes for et eksternt magnetfelt på 12 tesla (til sammenligning er en stærk køleskabsmagnet 0.01 tesla og jordens magnetfelt 0.00005 tesla). Dette skyldes, at den magnetiske struktur ændres. I intervallet 19-21 tesla og over 42 tesla kommer koblingen mellem de magnetiske- og elektriske egenskaber dog igen. I begge tilfælde er der en klar sammenhæng mellem den magnetiske struktur, og i hvilket omfang den magnetoelektriske kobling eksisterer.

MAX4ESSFUN og Monte Carlo simuleringer
Ellen hørte om MAX4ESSFUN programmet gennem sin vejleder, Niels Bech Christensen. Hun havde længe haft et ønske om at prøve at forstå de blandede materialer kobolt og nikkel, og nikkel og jern gennem computersimuleringer, og Niels så MAX4ESSFUN programmet som en oplagt mulighed for at dykke ned i et sådant projekt. Gennem projektet fik Ellen kontakt til simuleringseksperten Olav Fredrik Syljuåsen fra Universitetet i Oslo, som blev hendes co-vejleder på projektet. Hun beskriver det videnskabelige bekendtskab med Olav som meget givende for hendes forskningsprojekt, og at hun er taknemmelig for, at MAX4ESSFUN programmet hjalp til med at få skubbet samarbejdet i gang: ”Uden Olav tror jeg ikke, at jeg ville være nået lige så langt med denne del af min forskning. Han har virkelig givet hele mit projekt et skub, og samarbejdet med ham har været helt afgørende for forståelsen af nogle af mine eksperimentelle resultater”.

For Ellen har det haft stor betydning at kunne få Olavs specialistøjne på sit projekt. Hun forklarer at Olav har en meget teoretisk indgangsvinkel samtidig med, at han har utrolig meget erfaring med simulering og kodning

I sit MAX4ESSFUN projekt forsøger Ellen via computersimulering – en såkaldt Monte Carlo simulering – at skabe overblik og en struktur i den enorme mængde af data, der genereres i forsøgene, hvor materialerne kobolt og nikkel, og nikkel og jern blandes: ”Når materialerne blandes, sker der så meget, at det kan være svært at tolke data. Det er her en simulering kan hjælpe med at skabe et overblik”, forklarer Ellen. Monte Carlo simulering gør det muligt at dokumentere, hvor den magnetiske struktur findes ud fra en model, der beskriver energien af et system. Modellen indeholder information om antallet af de magnetiske ioner, hvor meget de vekselvirker, og i hvilken retning momenterne gerne vil pege. De magnetiske momenter bliver så flyttet rundt på tilfældig vis indtil den minimale energi er opnået. Resultaterne bliver sammenholdt med forsøgsdata og hjælper herved til at forstå, hvad forsøgene viser.

Faciliteter og netværk
Gennem sin ph.d. har Ellen udført forsøg på mange neutronfaciliteter rundt om i verden bl.a. Helmholtz-Zentrum Berlin i Tyskland, Laboratoire Léon Brillouin og Institut Laue-Langevin i Frankrig, Paul Scherrer Institut i Schweiz, Japan Proton Accelerator Resarch Complex i Japan, Spallation Neutron Source og National Institute of Standards and Technology i USA. I den forbindelse har hun fået et stort internationalt netværk af forskere med forstand på diverse neutronspredningsteknikker. For Ellen har det været særligt givende at kunne trække på netværket, når hun har haft udfordringer med at analysere sine data: ”I sådan en situation betyder det meget, at man har fået opbygget et netværk til andre forskere, der har forstand på neutronspredning. Så kan man lige ringe og få vejledning – og så kan de pege på de småting, man måske ikke lige har tænkt over. På den måde føler man sig som en del af en stor neutronspredningsfamilie”, forklarer Ellen.

Fremtiden
For Ellen kan både ESS og MAX IV blive meget relevante i fremtiden – både som mulige arbejdsgivere eller som steder, hvor hun kan lave forsøg. Hun vil gerne fortsætte med at forske i magnetiske materialer, og håber derfor på at få en postdoc stilling, når hun er færdig med sin ph.d.

Dela: