dr Michał Antkowiak

Badania naukowe prowadzone przeze mnie dotyczą modelowania i analizy własności termodynamicznych nanomagnetyków molekularnych.

Molekuły zawierające jony metali 3d wykazują wiele interesujących właściwości, dlatego stanowią obiecujący obiekt badań zarówno teoretycznych jak i eksperymentalnych. Zachowują się one niczym indywidualne nanomagnesy, wykazując efekty kwantowe w skali makroskopowej. Przewidywane są ich zastosowania w magnetycznych urządzeniach przechowujących dane lub w elementach przetwarzających informacje w komputerze kwantowym, dlatego niezwykle ważne staje się ich dokładne i realistyczne modelowanie.

W swojej dotychczasowej pracy dokonałem analizy własności termodynamicznych wybranych nanomagnetyków molekularnych bazujących na pierścieniach złożonych z 8 i 9 jonów chromu, a także domieszkowanych jonami kadmu i niklu, przy użyciu realistycznych modeli kwantowych i wiarygodnych symulacji komputerowych. Zaimplementowałem metodę ścisłej diagonalizacji dającą numerycznie dokładne wyniki oraz wykorzystałem symetrię molekuł oraz równoległe środowisko obliczeniowe w celu zniwelowania problemu diagonalizacji dużych macierzy. Uzyskane wyniki weryfikowałem również z wynikami otrzymanymi innymi metodami, w tym QTM i DFT. Porównując strukturę energetyczną molekuły Cr₇Cd z wynikami eksperymentu EPR ustaliłem, że powinna być ona opisana przez model z anizotropią typu łatwej osi, dzięki któremu można uzyskać zgodne z eksperymentem wyniki podatności i namagnesowania oraz przerwy energetyczne dla najniżej leżących multipletów. Używając modelu z zaburzeniem jednego z wiązań, uzyskałem bardzo dobre dopasowanie do eksperymentalnych wyników podatności i namagnesowania dla molekuły Cr₉. Obliczyłem również wskaźniki frustracji występującej w pierścieniach z nieparzystą liczbą spinów oraz badałem występowanie różnych typów efektu magnetokalorycznego. Analizowałem również własności termodynamiczne niedawno syntetyzowanych molekuł Mn^II₃Mn^III oraz Mn^II₂Mn^III₂, które umożliwiają eksperymentalną weryfikację twierdzenia Lieba-Mattisa. Badania wykazały możliwość syntezy molekuł opartych o jony manganu, dla których najniższa przerwa energetyczna byłaby większa niż obserwowana w molekułach bazujących na jonach chromu, przy zachowaniu całkowitego spinu S=1/2 dla stanu podstawowego, co jest istotnym warunkiem przy tworzeniu molekularnego qubitu.

Dalsze badania naukowe przewidują opracowanie modeli kwantowych nanomagnetyków molekularnych syntetyzowanych w czołowych laboratoriach na ogół w postaci próbek polikrystalicznych, a także ich numeryczna analiza za pomocą symulacji komputerowych. W szczególności pożądane jest określenie wartości oddziaływań magnetycznych przy użyciu modelowego Hamiltonianu, a także uzyskanie ilościowej charakterystyki takich własności termodynamicznych jak: magnetyzacja w polu zewnętrznym, moment skręcający, podatność magnetyczna, ciepło właściwe czy entropia. Analiza tych własności jak i struktury energetycznej układu pozwoli na dokładne określenie przydatności modelowanych związków do wyżej wspomnianych zastosowań, jak również na predykcję ewentualnych zmian, jakie należy wprowadzić w strukturze molekuły, aby mogła być ona wykorzystana praktycznie. W przypadku obliczeń namagnesowania próbek proszkowych istotne jest też znaczenie sposobu uśredniania wyników dla różnych kierunków pola magnetycznego, zwłaszcza dla modeli anizotropowych.

Prowadzone badania mają na celu wyjaśnienie problemów z różnych obszarów zainteresowań molekularnego magnetyzmu, dotyczących m.in. podlegania niektórych układów ustanowionym przez Oliviera Kahna zasadom regulującym naturę magnetycznych oddziaływań pomiędzy metalami w molekule w zależności od symetrii oddziałujących orbitali magnetycznych, możliwości wykorzystania niektórych układów jako bramek kwantowych, czy występowania mostków magnetycznych dostarczających cennych informacji dotyczących testowania korelacji magneto-strukturalnych.