Molecole Magnetiche e Computer Quantistici

1. Molecole Magnetiche e Computer Quantistici S. Carretta

2. Molecole Magnetiche e Computer Quantistici • Ferromagnetismo e magneti permanenti. Definizione di bit e limite superparamagnetico. • Nanomagneti molecolari. Cosa sono? Definizione del qubit e superamento del limite superparamagnetico. • Tunneling della magnetizzazione. • Nanomagneti molecolari, qubit e computer quantistici. • Conclusioni, problemi aperti e prospettive.

3. solenoide -Se prendo due pezzi di ferro e li metto vicini “normalmente” non succede praticamente nulla. -Se invece uno dei due era stato immerso in un campo magnetico attrae l’altro. Fe Fe Fe Fe 1 2 Ferromagnetismo e magneti permanenti • Punto di partenza: un filo percorso da corrente genera un campo magnetico • (H. Oersted 1820). Cu Fe • Chiamiamo ferromagnetiche quelle sostanze che vengono attratte fortemente.

4. Cosa è successo ? M • Se ora spengo il campo esterno (curva b) il campione continua a produrre un campo magnetico (M>0). Si comporta come una calamita. • Se ora riaccendo il campo in verso oppostoe poi lospengo il campione produce un campo opposto (M<0). Il pezzo di ferro si è “magnetizzato”, è diventato un magnete Analizziamo meglio Misuriamo il campo magnetico prodotto dal pezzetto di ferro • All’inizio il campione non produce campo magnetico (M=0). • Accendo il campo esterno (curva a) e M aumenta fino a saturarsi. Ho due stati possibili del campione: blu (M>0) e rosso (M<0).

5. Possiamo definire un bit: 1 oppure 0 Possiamo immagazzinare informazioni Ad es. = 8 Il sistema può essere preparato in due stati possibili

6. Riducendo la dimensione dei bit Sfida tecnologica: aumentare la capacità degli hard disk Come? Problema: abbiamo raggiunto il limite superparamagnetico Particelle magnetiche più piccolenon conservano più la magnetizzazione

7. Nanomagneti molecolari Ci sono piccole (10-18 mm3) molecole che si comportano come un pezzo di ferro Al centro di queste molecole ci sono pochi atomi di Fe, Mn, Cr che danno origine al magnetismo

8. Perché si comportano come (nano)magneti? Gli atomi si comportano come piccoli aghi magnetici Il “moto” degli elettroni degli atomi di Mn genera correnti elettriche microscopiche Questi in alcune molecole si allineano lungo la stessa direzione: la molecola si comporta come un unico ago magnetico (uguale alla somma vettoriale degli “aghi” atomici)

9. Si comporta come un magnete 1 0 Se misuriamo il campo magnetico prodotto dalla molecola • Se spengo il campo esterno la molecola continua a produrre un campo magnetico. Posso definire un bit con una sola molecola

10. Possiamo vincere la sfida tecnologica!

11. Meccanica classica Meccanica quantistica Differenze tra magneti e nanomagneti Il nanomagnete avrà delle caratteristiche in più • Tunneling della magnetizzazione • Quantum Bit e Quantum Computing

12. 0 1 La barriera di potenziale Ad es. due valli separate da una montagna Nel nanomagnete i “poli” si possono invertire “spontaneamente per effetto tunnel”

13. In un magnete classico: Possiamo definire un bit: 1 oppure 0 In un nanomagnete: Possiamo definire un qubit: 1 oppure 0 Quantum computation: dal bit al qubit NOVITA’: Il magnete quantistico può esistere in stati in cui ciascun qubit è contemporaneamente 0 e 1.

14. Calcolo classico • Ogni (treno)bit di input vale 0 o 1 • Dato un input x ho solo l’output per quel valore di x F(x) = x/2 Output: operazione logica elementare x Input:

15. Calcolo parallelo quantistico • Ogni(treno)qubit di input vale contemporaneamente sia 0 che 1 • In un singolo calcolo ho l’output per tutti i possibili valori di x Output: Tutti i possibili valori di F(x) = x/2 operazione logica elementare Input: Tutti i valori di x

17. Permette con un singolo calcolo di effettuare un numero enorme di operazioni Applicazioni: • Può permettere di risolvere problemi impossibili per i computer classici, ad es. fattorizzazione in numeri primi di interi molto grandi. • Crittografia • Ricerca di informazioni in un database

18. Conclusioni e prospettive • I nanomagneti sono molecole che posseggono le tipiche caratteristiche dei magneti macroscopici. • Permettono di definire dei (qu)bit di scala nanometrica che possono essere utilizzati per realizzare memorie ad elevata densità. • I nanomagneti mostrano fenomeni tipicamente quantistici: ad es. tunneling della magnetizzatione. • I qubit permettono di sfruttare il “parallelismo quantistico” e quindi di realizzare computer che possono risolvere problemi “classicamente intrattabili”.

19. Quali sono i problemi aperti? • Memorie ad alta densità: temperature di utilizzo troppo basse. • Quantum computation: decoerenza. Bisogna raggiungere la temperatura dell’azoto liquido T = -196 Co Modello microscopico accurato che descriva tutte le proprietà dei nanomagneti Progettare molecole con le caratteristiche richieste

20. Cold neutron time-focussing spectrometerIN6 Come sviluppare modelli teorici adeguati? Progettando opportuni esperimenti su questi sistemi ed interpretando i dati sperimentali. Esempio. Si ottengono molte informazioni sul “moto degli elettroni” se si fanno collidere dei neutroni sul campione e si studia come questi vengono deviati.

22. Aumenta la temperatura di utilizzo Si studiano i livelli energetici del sistema Il modello teorico interpreta i dati molto bene, la barriera è raddoppiata