Zogenaamde "nulpuntenergie" is een term die bekend is bij sommige bioscoopliefhebbers of seriefans; in de fictieve wereld van animatiefilms zoals "The Incredibles" of de tv-serie "Stargate Atlantis", het staat voor een krachtige en vrijwel onuitputtelijke energiebron. Of het ooit als zodanig kan worden gebruikt, valt te betwijfelen. Wetenschappers van Jülich hebben nu ontdekt dat het een belangrijke rol speelt in de stabiliteit van nanomagneten. Deze zijn van groot technisch belang voor de magnetische opslag van gegevens, maar zijn tot nu toe nooit voldoende stabiel geweest. Onderzoekers wijzen nu de weg om het mogelijk te maken nanomagneten te produceren met een lage nulpuntsenergie en dus een hogere mate van stabiliteit ( Nano-letters , DOI:10.1021/acs.nanolet.6b01344).

Sinds de jaren zeventig, het aantal componenten in computerchips verdubbelt elke één tot twee jaar, hun omvang neemt af. Door deze ontwikkeling is de productie van kleine, krachtige computers zoals smartphones voor het eerst mogelijk. Ondertussen, veel componenten zijn slechts ongeveer zo groot als een virus en het miniaturisatieproces is vertraagd. Dit komt omdat onder ongeveer een nanometer, een miljardste van een meter groot, kwantumeffecten spelen een rol. Ze maken het moeilijker, bijvoorbeeld, om magnetische momenten te stabiliseren. Wereldwijd zoeken onderzoekers naar geschikte materialen voor magnetisch stabiele nanomagneten, zodat data veilig kan worden opgeslagen in de kleinste ruimtes.

In deze context, stabiel betekent dat de magnetische momenten consistent in een van de twee vooraf toegewezen richtingen wijzen. De richting codeert dan het bit. Echter, de magnetische momenten van atomen zijn altijd in beweging. De trigger hier is de zogenaamde nulpuntsenergie, de energie die een kwantummechanisch systeem bezit in zijn grondtoestand bij een temperatuur van het absolute nulpunt. "Het zorgt ervoor dat de magnetische momenten van atomen zelfs bij de laagste temperaturen fluctueren en werkt dus tegen de stabiliteit van de magnetische momenten", legt Dr. Julen Ibañez-Azpiroz uit, van de Helmholtz Young Investigators Group "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" aan het Peter Grünberg Institute en aan het Institute for Advanced Simulation. Wanneer er te veel energie in het systeem aanwezig is, de magnetische momenten keren om en de opgeslagen informatie gaat verloren.

"Onze berekeningen laten zien dat de magnetische fluctuaties in het nulpunt zelfs dezelfde orde van grootte kunnen bereiken als het magnetische moment zelf", meldt Ibañez-Azpiroz. "Dit verklaart waarom de zoektocht naar stabiele nanomagneten zo moeilijk is". Er is, echter, ook een tegenhanger hiervan, in de vorm van een energiebarrière, die het moment moet overwinnen terwijl het draait. De hoogte van de barrière is afhankelijk van het materiaal waaruit het is gemaakt.

De Jülich-onderzoekers onderzochten in detail hoe kwantumeffecten de magnetische stabiliteit beïnvloeden met behulp van bijzonder veelbelovende materialen uit de klasse van overgangsmetalen. Op basis van hun resultaten hebben ze richtlijnen opgesteld voor de ontwikkeling van stabiele nanomagneten met lage niveaus van kwantumfluctuaties. Hun grafiek die de geschiktheid van verschillende elementen laat zien, zou moeten dienen als een bouwpakket voor het combineren van complexe nanomagneten gemaakt van verschillende atomen.

"We vonden de kleinste fluctuaties in materialen met een sterk magnetisch moment dat tegelijkertijd zwak interageert met dat van het dragermateriaal. Bovendien, het materiaal moet zo worden gekozen dat de energiebarrière die de rotatie van het magnetische moment verhindert, zo groot mogelijk is", vat prof. Samir Lounis samen, de fysicus die aan het hoofd staat van de Young Investigator Group. "Deze kennis heeft praktische toepassing:bijvoorbeeld het groeperen van atomen vergroot het totale magnetische moment en er moet een isolerend dragermateriaal worden gekozen in plaats van een metalen".

De wetenschappers onderzochten systematisch het verband tussen karakteristieke eigenschappen van de atomen en de sterkte van de magnetische fluctuaties veroorzaakt door nulpuntsenergie. Voor deze, ze gebruikten zogenaamde "ab initio" berekeningen, die alleen gebaseerd zijn op algemeen aanvaarde natuurkundige wetten, zonder aanpassingen aan experimentele gegevens. Ibañez-Azpiroz plant nu verdere berekeningen om te kijken hoe het aantal atomen de fluctuaties beïnvloedt.