Så kallad "nollpunktsenergi" är en term som är bekant för vissa filmälskare eller seriefantaster; i den fiktiva världen av animerade filmer som "The Incredibles" eller TV-serien "Stargate Atlantis", det betecknar en kraftfull och praktiskt taget outtömlig energikälla. Om det någonsin skulle kunna användas som sådant kan diskuteras. Forskare vid Jülich har nu fått reda på att det spelar en viktig roll för nanomagneternas stabilitet. Dessa är av stort tekniskt intresse för magnetisk lagring av data, men har hittills aldrig varit tillräckligt stabila. Forskare pekar nu på vägen för att göra det möjligt att producera nanomagneter med låg nollpunktsenergi och därmed en högre grad av stabilitet ( Nanobokstäver , DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01344).

Sedan 1970-talet, antalet komponenter i datorchips har fördubblats vartannat till vartannat år, deras storlek minskar. Denna utveckling har gjort produktionen av små, kraftfulla datorer som smarta telefoner möjliga för första gången. Sålänge, många komponenter är bara ungefär lika stora som ett virus och miniatyriseringsprocessen har saktat ner. Detta beror på att under ungefär en nanometer, en miljarddels meter i storlek, kvanteffekter spelar in. De gör det svårare, till exempel, för att stabilisera magnetiska moment. Forskare världen över letar efter lämpliga material för magnetiskt stabila nanomagneter så att data kan lagras säkert i de minsta utrymmen.

I detta sammanhang, stabil betyder att de magnetiska momenten pekar konsekvent i en av två förutbestämda riktningar. Riktningen kodar sedan biten. Dock, atomernas magnetiska moment är alltid i rörelse. Utlösaren här är den så kallade nollpunktsenergin, den energi som ett kvantmekaniskt system besitter i sitt grundtillstånd vid absolut nolltemperatur. "Det får atomernas magnetiska moment att fluktuera även vid de lägsta temperaturerna och motverkar därmed stabiliteten hos de magnetiska momenten", förklarar Dr Julen Ibañez-Azpiroz, från Helmholtz Young Investigators Group "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" vid Peter Grünberg-institutet och vid Institutet för avancerad simulering. När det finns för mycket energi i systemet, de magnetiska momenten vänder och den sparade informationen går förlorad.

"Våra beräkningar visar att de magnetiska nollpunktsfluktuationerna till och med kan nå samma storleksordning som själva magnetmomentet", rapporterar Ibañez-Azpiroz. "Detta förklarar varför sökandet efter stabila nanomagneter är så svårt". Det finns, dock, också en motsvarighet till detta, i form av en energibarriär, som ögonblicket måste övervinna när det roterar. Höjden på barriären beror på vilket material den är gjord av.

Jülich-forskarna undersökte hur kvanteffekter påverkar magnetisk stabilitet i detalj med hjälp av särskilt lovande material från klassen övergångsmetaller. Utifrån sina resultat har de fastställt riktlinjer för utveckling av stabila nanomagneter med låga nivåer av kvantfluktuationer. Deras diagram som visar lämpligheten hos olika element bör fungera som en byggsats för att kombinera komplexa nanomagneter gjorda av flera olika atomer.

"Vi hittade de minsta fluktuationerna i material med ett starkt magnetiskt moment som samtidigt interagerar svagt med bärarmaterialets. Dessutom materialet bör väljas så att energibarriären som förhindrar rotation av det magnetiska momentet är så stor som möjligt", sammanfattade Prof. Samir Lounis, fysikern som leder Young Investigator Group. "Denna kunskap har praktisk tillämpning:Till exempel, att gruppera atomer tillsammans förstorar det totala magnetiska momentet och ett isolerande bärarmaterial bör väljas istället för ett metalliskt".

Forskarna undersökte systematiskt sambandet mellan atomernas karakteristiska egenskaper och styrkan hos de magnetiska fluktuationer som orsakas av nollpunktsenergi. För detta, de använde så kallade "ab initio"-beräkningar, som endast är baserade på allmänt accepterade fysiska lagar, utan anpassningar till experimentella data. Ibañez-Azpiroz planerar nu ytterligare beräkningar för att titta på hur antalet atomer påverkar fluktuationerna.