Molecole Magnetiche e Computer
Quantistici
S. Carretta
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.
Ferromagnetismo e magneti permanenti
•Punto di partenza: un filo percorso da corrente genera un campo magnetico
(H. Oersted 1820).
solenoide
Cu
Fe
•Chiamiamo ferromagnetiche quelle sostanze che vengono attratte fortemente.
-Se prendo due pezzi di ferro e li metto vicini “normalmente” non succede
-Se invece uno dei due era stato immerso in un campo magnetico attrae l’altro.
praticamente nulla.
Fe
Fe
Fe
1
Fe
2
Cosa è successo ?
Il pezzo di ferro si è “magnetizzato”, è diventato un
magnete
Analizziamo meglio
Misuriamo il campo magnetico prodotto dal pezzetto di ferro
M
•All’inizio il campione non produce
campo magnetico (M=0).
•Accendo il campo esterno (curva a) e
M aumenta fino a saturarsi.
•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
opposto e poi lo spengo il campione
produce un campo opposto (M<0).
Ho due stati possibili del campione: blu (M>0) e rosso (M<0).
Il sistema può essere preparato in due stati possibili
Possiamo definire un bit: 1
Possiamo immagazzinare
informazioni
oppure 0
Ad es.
=8
Sfida tecnologica: aumentare la capacità degli hard disk
Come?
Riducendo la dimensione dei bit
Problema: abbiamo
raggiunto il limite
superparamagnetico
Particelle magnetiche
più piccole non
conservano più la
magnetizzazione
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
Perché si comportano come (nano)magneti?
Il “moto” degli elettroni degli atomi di Mn genera correnti elettriche microscopiche
Gli atomi si comportano come piccoli aghi magnetici
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)
Se misuriamo il campo magnetico prodotto dalla molecola
•Se spengo il campo esterno la
molecola continua a produrre un
campo magnetico.
Si comporta come un magnete
Posso definire un bit con una sola molecola
1
Possiamo vincere la sfida tecnologica!
Differenze tra magneti e nanomagneti
Meccanica classica
Meccanica quantistica
Il nanomagnete avrà delle caratteristiche in più
•Tunneling della magnetizzazione
•Quantum Bit e Quantum Computing
La barriera di potenziale
Ad es. due valli
separate da una
montagna
1
0
Nel nanomagnete i “poli” si possono invertire
“spontaneamente per effetto tunnel”
Quantum computation: dal bit al qubit
In un magnete classico:
Possiamo definire un bit: 1
oppure 0
In un nanomagnete:
Possiamo definire un qubit: 1
oppure 0
NOVITA’: Il magnete quantistico può esistere in stati in cui
ciascun qubit è contemporaneamente 0 e 1.
Calcolo classico
•Ogni (treno)bit di input vale 0 o 1
•Dato un input x ho solo l’output per quel valore di x
Output: F(x)
= x/2
operazione logica elementare
Input:
x
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
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
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”.
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
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.
•Cold neutron time-focussing spectrometer IN6
Si studiano i livelli energetici del sistema
Il modello teorico interpreta i dati molto bene, la barriera è raddoppiata
Aumenta la temperatura di utilizzo