Försvarat min avhandling

Anledningen till att denna blogg heter Investerarfysikern är för att jag doktorerat i fysik under tiden jag bloggat. Nu har jag till slut avslutat min doktorand och i början av februari försvarade jag min avhandling i fysik. Då en del hört av sig och varit intresserade av min forskning tänkte jag att det skulle vara kul att delge den här på bloggen om vad den handlar om.

Kortfattat handlar avhandlingen om att studera teoretiskt vad som händer om vi styr magnetiska molekyler elektroniskt. Speciellt intressant med dessa system är just att det är extremt små system, där kvantfysik spelar en stor roll, och där mycket av egenskaperna sätts av omgivningen. I dessa system kan man istället för att använda magnetiska fält använda systemets elektriska egenskaper för styrning och det är vad vi studerar i detalj. Nedan är min svenska sammanfattning av avhandlingen som också går att ladda ner här. För den som vill ha en mer enkel introduktion i ämnet så diskuterar vi min forskning senaste avsnittet av Dataspaning.

I och med mitt försvar avslutar jag detta femåriga projekt. Jag tycker att det har lite intressanta paralleller till investeringar. Att göra något i fem år kan kännas som en oändlighet, i alla fall till en början, men man arbetar sakta men säkert igenom denna tid, lär sig en hel del på vägen och till slut redovisar allt i en avhandling. Under tiden möter man både motgångar och medgångar, och det kan kännas jobbigt ibland då det kan vara svårt att visualisera slutmålet. Samma gäller investeringar, det finns bra år, dåliga år, men till slut genom att vara långsiktig och målmedveten kan man lyckas över tid. Jag tror det bästa att göra är att se det som en resa, lära sig nya saker och njuta under tiden. Som ett känt citat lyder är att de flesta överskattar vad de kan göra inom ett år, men underskattar vad man kan göra över flera år.

Svensk sammanfattning

Magneter och magnetiska material är något vi känner till i vardagen som objekt av metallisk karaktär, exempelvis järn. Dessa makroskopiska objekt utgörs av en mängd atomer som kollektivt bestämmer deras magnetiska karaktär. Experiment har gjort det möjligt att realisera magneter av enstaka molekyler, objekt på nanometerskala, där enstaka atomer, av exempelvis övergångsmetaller, utgör det magnetiska momentet. Då det endast handlar om ett fåtal atomer och elektroner behöver molekylerna beskrivas med kvantfysikaliska metoder. I denna avhandling studerar vi teorin för molekylära magneter och deras egenskaper under extern elekrisk styrning.

Vi använder oss av icke-jämvikts Greenfunktioner för att studera en molekylär magnet som består av ett enskilt magnetiskt spinnmoment. Greenfunktionerna skapar en fältteoretisk bild över elektronerna i molekylen och deras koppling till det magnetiska spinnmomentet. Vi härleder, utöver detta, en effektiv rörelseekvation för det moleklyära spinnmomentet som tar hänsyn till minneseffekter vid applicering av en spänningspuls. Denna effektiva modell behandlar kopplingen mellan elektronerna som överförs genom molekylen och molekylens magnetiska frihetsgrader. De effektiva fälten som agerar på det molekylära spinnmomentet kan delas upp i ett effektivt magnetfält, ett isotropt Heisenberg bidrag och de anisotropa Ising och Dzyaloshinskii-Moriya bidragen. Med hjälp av denna modell kan vi studera vad som händer när vi applicerar externa elektriska pulser på den magnetiska molekylen.

Vi studerar det transienta svaret hos en magnetiska molekyl med ett enskilt molekylärt spinnmoment vid en steg-liknande spänningspuls. Fokus ligger på hur laddnings-, spinn- och värmeströmmarna beter sig i systemet. Vi analyserar effekten av olika begynnelsevillkor, de interna fälten i den magnetiska molekylen, samt kopplar effekterna till dynamiken hos det molekylära spinnmomentet. Vidare studerar vi olika approximationer i rörelseekvationen för det molekylära spinnmomentet. Vi visar på vikten av att ha tidsberoende parametrar och parametrar som beror av spinnets historik. Utifrån vår studie kan vi få fram olika regimer där de olika approximationerna är giltiga. Hur spinnmomentet i en magnetisk molekyl reagerar på en spänningspuls beror också på längden av den applicerade pulsen. Genom att applicera pulser av olika längd kan vi styra spinnmomentets riktning. Detta beror på fasen hos den applicerade spänningspulsen och vi får ett fasinducerad växlande av det molekylära spinnet.

I avhandlingen studeras också elektrisk kontroll av två magnetiska molekyler i serie. Genom att applicera en spänning går det att styra växelverkan mellan de två molekylerna. Vi visar på att det finns tre olika regimer för olika spänningar vilka styr spinnkonfigurationen och laddningsströmmarna genom molekylerna. I ett annat arbete studerar vi vad för effekter vibrationer har på den elektroniskt överförda anisotropin i ett system bestående av ett enskilt molekylärt spinnmoment. Vi visar att det går att förändra styrkan på anisotropin med en applicerad elektrisk spänning eller temperaturgradient. Dessutom visar vi att för starkare koppling till vibrationerna går det att låsa anisotropin i ett tillstånd.