Atombits trods nulpunktsenergi?

Såkaldt "nulpunktsenergi" er et begreb, som nogle biografelskere eller seriefans kender; i den fiktive verden af ​​animerede film som "The Incredibles" eller tv-serien "Stargate Atlantis", det betegner en kraftfuld og praktisk talt uudtømmelig energikilde. Om det nogensinde kunne bruges som sådan kan diskuteres. Forskere ved Jülich har nu fundet ud af, at det spiller en vigtig rolle for nanomagneters stabilitet. Disse er af stor teknisk interesse for magnetisk lagring af data, men har hidtil aldrig været tilstrækkelig stabil. Forskere peger nu på vejen til at gøre det muligt at producere nanomagneter med lav nulpunktsenergi og dermed en højere grad af stabilitet ( Nano bogstaver , DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01344).

Siden 1970'erne, antallet af komponenter i computerchips er fordoblet hvert til hvert andet år, deres størrelse aftager. Denne udvikling har gjort produktionen af ​​små, kraftfulde computere såsom smartphones muligt for første gang. I mellemtiden, mange komponenter er kun omtrent så store som en virus, og miniaturiseringsprocessen er blevet langsommere. Dette skyldes, at under cirka en nanometer, en milliardtedel af en meter i størrelse, kvanteeffekter spiller ind. De gør det sværere, for eksempel, at stabilisere magnetiske momenter. Forskere verden over leder efter egnede materialer til magnetisk stabile nanomagneter, så data kan opbevares sikkert i de mindste rum.

I denne sammenhæng, stabil betyder, at de magnetiske momenter peger konsekvent i en af ​​to forudbestemte retninger. Retningen koder derefter bit. Imidlertid, atomernes magnetiske momenter er altid i bevægelse. Udløseren her er den såkaldte nulpunktsenergi, den energi, som et kvantemekanisk system besidder i sin grundtilstand ved absolut nultemperatur. "Det får atomernes magnetiske momenter til at svinge selv ved de laveste temperaturer og modvirker dermed stabiliteten af ​​de magnetiske momenter", forklarer Dr. Julen Ibañez-Azpiroz, fra Helmholtz Young Investigators Group "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" ved Peter Grünberg Instituttet og ved Instituttet for Avanceret Simulering. Når der er for meget energi i systemet, de magnetiske momenter vender om, og den gemte information går tabt.

"Vores beregninger viser, at de magnetiske nulpunktsudsving endda kan nå samme størrelsesorden som selve det magnetiske moment", rapporterer Ibañez-Azpiroz. "Dette forklarer, hvorfor søgningen efter stabile nanomagneter er så vanskelig". Der er, imidlertid, også et modstykke til dette, i form af en energibarriere, som øjeblikket skal overvinde, mens det roterer. Højden på barrieren afhænger af det materiale, den er lavet af.

Jülich-forskerne undersøgte, hvordan kvanteeffekter påvirker magnetisk stabilitet i detaljer ved hjælp af særligt lovende materialer fra klassen af ​​overgangsmetaller. Ud fra deres resultater har de etableret retningslinjer for udvikling af stabile nanomagneter med lave niveauer af kvanteudsving. Deres diagram, der viser egnetheden af ​​forskellige elementer, bør tjene som et byggesæt til at kombinere komplekse nanomagneter lavet af flere forskellige atomer.

"Vi fandt de mindste udsving i materialer med et stærkt magnetisk moment, som samtidig interagerer svagt med bærematerialets. Desuden materialet skal vælges således, at energibarrieren, der forhindrer rotationen af ​​det magnetiske moment, er så stor som muligt", opsummerede Prof. Samir Lounis, fysikeren, der leder Young Investigator Group. "Denne viden har praktisk anvendelse:F.eks. at gruppere atomer sammen forstørrer det totale magnetiske moment, og et isolerende bæremateriale bør vælges i stedet for et metallisk".

Forskerne undersøgte systematisk sammenhængen mellem atomernes karakteristiske egenskaber og styrken af ​​de magnetiske fluktuationer forårsaget af nulpunktsenergi. For det, de brugte såkaldte "ab initio" beregninger, som kun er baseret på almindeligt anerkendte fysiske love, uden tilpasninger til eksperimentelle data. Ibañez-Azpiroz planlægger nu yderligere beregninger for at se på, hvordan antallet af atomer påvirker udsvingene.