La llamada "energía de punto cero" es un término familiar para algunos amantes del cine o fanáticos de las series; en el mundo ficticio de las películas animadas como "Los Increíbles" o la serie de televisión "Stargate Atlantis", denota una fuente de energía poderosa y virtualmente inagotable. Si alguna vez podría usarse como tal es discutible. Los científicos de Jülich han descubierto ahora que juega un papel importante en la estabilidad de los nanoimanes. Son de gran interés técnico para el almacenamiento magnético de datos, pero hasta ahora nunca han sido suficientemente estables. Los investigadores ahora están señalando el camino para hacer posible producir nanoimanes con baja energía de punto cero y, por lo tanto, con un mayor grado de estabilidad ( Nano letras , DOI:10.1021 / acs.nanolett.6b01344).

Desde la década de 1970, la cantidad de componentes en los chips de computadora se ha duplicado cada uno o dos años, su tamaño disminuyendo. Este desarrollo ha hecho que la producción de pequeños, computadoras potentes, como teléfonos inteligentes, es posible por primera vez. Mientras tanto, muchos componentes son tan grandes como un virus y el proceso de miniaturización se ha ralentizado. Esto se debe a que por debajo de aproximadamente un nanómetro, una milmillonésima parte de un metro de tamaño, entran en juego los efectos cuánticos. Lo hacen más difícil por ejemplo, para estabilizar momentos magnéticos. Los investigadores de todo el mundo están buscando materiales adecuados para nanoimanes magnéticamente estables, de modo que los datos se puedan almacenar de forma segura en los espacios más pequeños.

En este contexto, estable significa que los momentos magnéticos apuntan consistentemente en una de las dos direcciones asignadas previamente. Luego, la dirección codifica el bit. Sin embargo, los momentos magnéticos de los átomos están siempre en movimiento. El disparador aquí es la llamada energía de punto cero, la energía que posee un sistema mecánico cuántico en su estado fundamental a la temperatura del cero absoluto. "Hace que los momentos magnéticos de los átomos fluctúen incluso a las temperaturas más bajas y, por lo tanto, actúa contra la estabilidad de los momentos magnéticos", explica el Dr. Julen Ibañez-Azpiroz, del Grupo de Jóvenes Investigadores Helmholtz "Laboratorio de Simulación y Sonda de Estructura a Nanoescala Funcional" en el Instituto Peter Grünberg y en el Instituto de Simulación Avanzada. Cuando existe demasiada energía dentro del sistema, los momentos magnéticos giran y la información guardada se pierde.

"Nuestros cálculos muestran que las fluctuaciones magnéticas de punto cero pueden incluso alcanzar el mismo orden de magnitud que el momento magnético en sí", informa Ibañez-Azpiroz. "Esto explica por qué la búsqueda de nanoimanes estables es tan difícil". Hay, sin embargo, también una contraparte de esto, en forma de barrera energética, que el momento debe superar a medida que gira. La altura de la barrera depende del material del que esté hecha.

Los investigadores de Jülich investigaron cómo los efectos cuánticos influyen en la estabilidad magnética en detalle utilizando materiales particularmente prometedores de la clase de metales de transición. A partir de sus resultados, han establecido pautas para el desarrollo de nanoimanes estables con bajos niveles de fluctuaciones cuánticas. Su gráfico que muestra la idoneidad de diferentes elementos debería servir como un kit de construcción para combinar nanoimanes complejos hechos de varios átomos diferentes.

"Encontramos las fluctuaciones más pequeñas en materiales con un momento magnético fuerte que, al mismo tiempo, interactúa débilmente con el del material portador. Además, el material debe elegirse de manera que la barrera de energía que impide la rotación del momento magnético sea lo más grande posible ", resumió el profesor Samir Lounis, el físico que dirige el Grupo de Jóvenes Investigadores. "Este conocimiento tiene una aplicación práctica:por ejemplo, la agrupación de átomos aumenta el momento magnético total y debe seleccionarse un material de soporte aislante en lugar de uno metálico ".

Los científicos investigaron sistemáticamente la conexión entre las propiedades características de los átomos y la fuerza de las fluctuaciones magnéticas causadas por la energía de punto cero. Para esto, utilizaron los llamados cálculos "ab initio", que se basan únicamente en leyes físicas generalmente aceptadas, sin adaptaciones a los datos experimentales. Ibáñez-Azpiroz ahora planea realizar más cálculos para ver cómo influye el número de átomos en las fluctuaciones.