Metodi matematici nelle scienze fisiche. Praxis: software per la simulazione del comportamento delle molecole magnetiche

In modern and contemporary research focused on the manufacture of smaller, faster, efficient and selective products, the production of materials with a well-defined microscopic spatial arrangements, it is of vital importance for the creation of new electronic, optical or magnetic devices. A potentially attractive way of assembly and maintain such microscopically controlled structures, is the use of molecular based materials. The research on the field of molecular magnetism, is mainly focused on molecular systems containing a finite number of coupled magnetic ions. This type of magnetic nano-molecules, generally called single magnetic molecules – SMMs, are objects placed in between of the classical and quantum physics. In fact, from a classical point of view, these structure shows phenomena such as: the slow relaxation of the magnetization and a widespread magnetic hysteresis. On te contrary, due to their dimensions, such structure can also shows quantum phenomena. The molecular magnets, indeed, are characterized by phenomena like the magnetic bistability e the most important feature of the magnetic quantum tunnelling, which is a purely quantum phenomena. These are some physical characteristics of SMMs that allow a wide range of applications of which we found their use as tools for data storage and nan-scale qbits used for the realization of quantum computer. Depending on the required applications, it is possible, today, synthetize an ad hoc molecular structure able to meet all the functional requirements. To achieve this objective, it is necessary to know and fully understand the behaviour of these molecules and therefore, are needed detailed information from the experimental methods, as well as, information obtained by theoretical models. The main topics of research: implementation of a simply simulation tool – PRAXIS - that permit the understanding of the magnetic properties of the SMMs, to verify the experimental data or to be used as experimental data predictor in order to synthetize ad hoc magnetic molecular clusters with improved properties for Nano-technological applications. Following an accurate scheme based on software engineering protocol, PRAXIS has been created with to particular aims: to verify the experimental data obtained measuring the physical properties of the SMMs, and to predict them in different situations. As last feature od PRAXIS, there is the possibility of theoretical auto-assembling of a large number of magnetic molecules, modelling them in a wide range of situations.

Nella moderna e attuale ricerca di prodotti sempre più piccoli, più veloci, più efficienti e selettivi, la realizzazione di materiali con arrangiamenti spaziali microscopici ben definiti, è di vitale importanza per la creazione di nuovi dispositivi elettronici, ottici o magnetici. Un modo potenzialmente attraente di assemblaggio e mantenimento di strutture microscopicamente controllate è quello di utilizzare materiali a base molecolare. La ricerca nel campo del magnetismo molecolare è principalmente focalizzata a sistemi molecolari contenenti un numero finito di ioni magnetici accoppiati. Questo tipo di nano-molecole magnetiche, chiamate magneti a singola molecola (in inglese single molecole magnets SMMs) si trovano nella linea di confine tra a fisica classica e quantistica. Infatti, da un punto di vista esse mostrano fenomeni classici come il lento rilassamento della magnetizzazione e un’isteresi magnetica molto estesa. Dall’altro tali strutture sono di dimensioni tali da mostrare fenomeni quantistici. I materiali magnetici molecolari, in particolare le SMMs, mostrano fenomeni di bistabilità magnetica e il più importante fenomeno di tunnelling magnetico. Che è un puro fenomeno quantistico. Sono queste caratteristiche fisiche quelle che permettono le numerose applicazioni di tali strutture ma soprattutto il loro utilizzato come strumenti di immagazzinamento dati di dimensioni nanometriche o qbits per la realizzazione di computer quantistici. In base al tipo di applicazione tecnologica richiesta, è possibile, ad oggi, realizzare una struttura molecolare ad hoc, in grado di sopperire a tutte richieste funzionali. Per raggiungere un tale obiettivo è necessario conoscere e capire appieno il comportamento di tali molecole e per questo, sono necessarie sia informazioni ottenute da metodi sperimentali, sia informazioni ottenute da modellizzazione. L’argomento principale della mia ricerca si basa sull’implementazione di un semplice strumento di simulazione – al quale ho assegnato il nome PRAXIS – che permette di simulare e comprendere e le principali proprietà termodinamiche e magnetiche delle SMMs. PRAXIS è stato sviluppato facendo uso di un accurato schema basato sulle metodologie del software engineering e con due ben precisi scopi: il primo, è quello di verificare i dati ottenuti sperimentalmente mentre, il secondo, è quello di prevedere il comportamento di tali strutture magnetiche in differenti situazioni in modo da rendere più adeguata la loro sintesi per specifiche applicazioni tecnologiche. Come ulteriore sviluppo delle sue funzionalità, c’è la possibilità di auto-assemblare teoricamente un gran numero di molecole e di simulare il loro comportamento in una vasta gamma di differenti situazioni.