Molecole Magnetiche e Computer Quantistici

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Molecole Magnetiche e Computer Quantistici
S. Carretta
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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.

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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.

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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 (M0).

• Accendo il campo esterno (curva a) e M aumenta
  fino a saturarsi.

Ho due stati possibili del campione blu (Mgt0) e
rosso (Mlt0).
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Il sistema può essere preparato in due stati
possibili
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Sfida tecnologica aumentare la capacità degli
hard disk
Come?
Problema abbiamo raggiunto il limite
superparamagnetico
Particelle magnetiche più piccole non conservano
più la magnetizzazione
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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
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Perché si comportano come (nano)magneti?
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)
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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
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Possiamo vincere la sfida tecnologica!
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Differenze tra magneti e nanomagneti
Il nanomagnete avrà delle caratteristiche in più

• Tunneling della magnetizzazione
• Quantum Bit e Quantum Computing

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La barriera di potenziale
Ad es. due valli separate da una montagna
Nel nanomagnete i poli si possono invertire
spontaneamente per effetto tunnel
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Quantum computation dal bit al qubit
NOVITA Il magnete quantistico può esistere in
stati in cui ciascun qubit è contemporaneamente 0
e 1.
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Calcolo classico

• Ogni (treno)bit di input vale 0 o 1

• Dato un input x ho solo loutput per quel valore
  di x

F(x) x/2
Output
operazione logica elementare
x
Input
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Calcolo parallelo quantistico

• Ogni (treno)qubit di input vale
  contemporaneamente sia 0 che 1

• In un singolo calcolo ho loutput per tutti i
  possibili valori di x

Tutti i possibili valori di F(x) x/2
Output
operazione logica elementare
Tutti i valori di x
Input
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(No Transcript)
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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

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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.

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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 Co
Modello microscopico accurato che descriva tutte
le proprietà dei nanomagneti
Progettare molecole con le caratteristiche
richieste
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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.
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(No Transcript)
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Si studiano i livelli energetici del sistema
Il modello teorico interpreta i dati molto bene,
la barriera è raddoppiata