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Molecole Magnetiche e Computer Quantistici S. Carretta.

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Presentazione sul tema: "Molecole Magnetiche e Computer Quantistici S. Carretta."— Transcript della presentazione:

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 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 praticamente nulla. Fe -Se invece uno dei due era stato immerso in un campo magnetico attrae laltro. Fe 12

4 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 Allinizio il campione non produce campo magnetico (M=0). M 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).

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

6 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

7 Nanomagneti molecolari Ci sono piccole ( mm 3 ) 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? 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)

9 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 0

10 Possiamo vincere la sfida tecnologica!

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

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

13 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.

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

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

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17 Applicazioni: Permette con un singolo calcolo di effettuare un numero enorme di operazioni 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 dellazoto liquido T = -196 C o Modello microscopico accurato che descriva tutte le proprietà dei nanomagneti Progettare molecole con le caratteristiche richieste

20 Come sviluppare modelli teorici adeguati? Progettando opportuni esperimenti su questi sistemi ed interpretando i dati sperimentali. 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 Esempio.

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


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