Gli scienziati dell'IFJ PAN in collaborazione con i ricercatori della Nara Women's University (Giappone) e dell'Università Jagellonica (Polonia) hanno compiuto un altro passo importante verso la costruzione di un computer quantistico funzionale. Utilizzando materiale contenente ioni terbio e strumenti sperimentali dedicati, hanno eseguito un'analisi dettagliata delle proprietà magnetiche dinamiche in singoli magneti molecolari riguardo al loro orientamento in un campo magnetico. La scoperta di una forte anisotropia di queste proprietà è vitale nella costruzione di componenti di elettronica molecolare.

Una delle maggiori sfide affrontate dalla scienza moderna è costruire un computer quantistico economico e altamente efficiente che rivoluzionerà il settore IT. Oggi, si cercano varie soluzioni che potrebbero portare alla realizzazione di un tale dispositivo. Questi includono sistemi superconduttori, punti quantici e fotoni nella cavità di risonanza. Viene inoltre svolta un'intensa ricerca sull'utilizzo di magneti molecolari costituiti da singole molecole di 1 nm di dimensione (SMM—Single Molecular Magnets). Per questo scopo, però, gli scienziati non devono solo trovare materiali con le giuste caratteristiche, ma anche comprendere a fondo il comportamento delle molecole magnetiche. Una delle principali direzioni di ricerca in questo settore si concentra sulla dinamica delle proprietà magnetiche. Questi cosiddetti rilassamenti magnetici ci dicono come le proprietà magnetiche di una data sostanza cambiano nel tempo. Nel mondo quantistico, tali dinamiche sono un fenomeno abbondante e complicato, per questo i ricercatori ne esaminano attentamente i vari aspetti.

Finora, studi approfonditi hanno rivelato la possibilità di utilizzare magneti molecolari per creare celle di memoria o un transistor di spin. Gli scienziati sono anche in grado di posizionare singole molecole su un substrato adatto e usarle per costruire semplici sistemi elettronici. Le misurazioni confermano che i rilassamenti magnetici svolgono un ruolo vitale nel funzionamento dei sistemi molecolari. D'altra parte, è noto che la dinamica delle proprietà magnetiche dipende dall'anisotropia delle proprietà magnetiche statiche. Però, nella maggior parte degli studi precedenti, o non è stata testata l'influenza dell'orientamento della molecola esaminata sulle sue proprietà magnetiche dinamiche, o è stato fatto solo in misura limitata.

Di conseguenza, un team di scienziati dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia polacca delle scienze guidati dal Dr. Ing. Piotr Konieczny ha deciso di studiare come le proprietà magnetiche dinamiche dei singoli magneti molecolari cambiano a seconda dell'orientamento delle molecole. La maggior parte del lavoro di ricerca sul rilassamento magnetico riguarda materiali sotto forma di polvere, cioè cristalliti caoticamente orientati, o policristalli, il che rende impossibile analizzare come queste proprietà cambiano con l'orientamento della molecola. Il gruppo polacco, perciò, decise di studiare un singolo cristallo, un monocristallino, in cui tutte le molecole fossero orientate allo stesso modo. Questo punto di partenza ha consentito agli scienziati di esaminare gli effetti che si verificano in una singola molecola. Per fare questo, era inoltre necessario realizzare un opportuno sistema sperimentale che consentisse di studiare il rilassamento magnetico in funzione dell'orientamento della sostanza in esame.

"Cercavamo un materiale che rispondesse ai requisiti previsti, e in particolare è caratterizzato da una forte anisotropia magnetica e può essere sintetizzato come cristallo di alta qualità. Allo stesso tempo, abbiamo sviluppato apparecchiature di laboratorio per testare la dipendenza dall'angolo della dinamica magnetica utilizzando la suscettività magnetica ac, " spiega il Dr. Ing. Konieczny. "Il cristallo specifico è stato trovato in Giappone, nel laboratorio del Prof. Takashi Kajiwara della Nara Women's University. Intanto, abbiamo testato vari polimeri che intendevamo applicare nella costruzione del sistema di misura. Abbiamo utilizzato materiali plastici che rivelano il segnale magnetico più debole e tollerano bene le basse temperature (2,0 K) per costruire un prototipo completamente funzionale del dispositivo. Le misurazioni hanno confermato la nostra ipotesi:il rilassamento magnetico dipende dall'orientamento della molecola, e quindi mostra anisotropia. Siamo rimasti sorpresi che questa relazione fosse così forte. Però, l'analisi teorica ci fornisce una spiegazione quantitativa dell'effetto osservato."

Gli studi sono stati condotti utilizzando un magnetometro SQUID commerciale. Per analizzare la dinamica magnetica nell'intervallo 0,1-1000 Hz, è stato necessario utilizzare il metodo della suscettività magnetica ac. Questa tecnica è comunemente adottata per studiare il rilassamento magnetico. L'innovazione è stata l'uso del setup sviluppato che ha permesso di analizzare l'anisotropia delle proprietà magnetiche dinamiche (cioè il rilassamento magnetico). Questo sistema dedicato è stato costruito in IFJ PAN per le indagini descritte. Permette al cristallo di ruotare all'interno del magnetometro a temperature molto basse (2 K), campi magnetici elevati (7 T) e in un ampio intervallo di frequenza del campo elettromagnetico (da 0,1 Hz a 1500 Hz). Il dispositivo è stato progettato e realizzato per eliminare il segnale di fondo indesiderato. Quindi, è possibile studiare la dinamica magnetica di piccoli cristalli.

Il materiale esaminato, un magnete molecolare agli ioni di terbio, è stato sintetizzato e testato strutturalmente dal gruppo del Prof. Kajiwara, mentre la maggior parte delle analisi teoriche e sperimentali sono state effettuate presso l'IFJ PAN. Gli studi hanno confermato che le molecole magnetiche mostrano anisotropia delle proprietà magnetiche dinamiche. Nella molecola indagata, che sembra l'elica di una nave, il tasso di rilassamento magnetico è quattro volte maggiore quando viene ruotato di 80 gradi.

Il lavoro di ricerca descritto consente agli scienziati di apprendere come il rilassamento magnetico nelle singole molecole può cambiare a seconda del loro orientamento. Questa conoscenza sarà applicata per la progettazione di sistemi molecolari utilizzati in applicazioni spintroniche e computer quantistici. Ora è noto che l'orientamento delle molecole ha un impatto significativo sul funzionamento di tali sistemi. Gli scienziati sono anche riusciti a costruire un dispositivo sperimentale che consentirebbe studi più dettagliati della dinamica magnetica dei materiali.

"Il nostro lavoro ci aiuta a comprendere meglio il comportamento delle singole molecole magnetiche, " afferma il Dr. Ing. Konieczny. "Ora sappiamo che l'orientamento delle molecole gioca un ruolo importante nell'elettronica molecolare, Per esempio, un transistor molecolare L'orientamento casuale delle molecole causerà il funzionamento caotico dei sistemi elettronici o spintronici. L'identica disposizione delle particelle, però, garantirà la loro interazione fluida e un migliore controllo."

I risultati ottenuti dagli scienziati dell'IFJ PAN sono particolarmente importanti per gli ingegneri che progettano e costruiscono sistemi elettronici di nuova generazione con molecole magnetiche. "La nostra ulteriore ricerca continuerà a concentrarsi sulle proprietà magnetiche dinamiche dei magneti molecolari, " conclude il Dr. Ing. Konieczny. "Crediamo che una profonda conoscenza dei fenomeni che si verificano in questi materiali ci avvicinerà alla creazione di un computer quantistico molecolare completamente funzionale".