La cosiddetta "energia di punto zero" è un termine familiare ad alcuni amanti del cinema o fan delle serie; nel mondo immaginario dei film d'animazione come "Gli Incredibili" o la serie TV "Stargate Atlantis", denota una fonte di energia potente e virtualmente inesauribile. Se potrebbe mai essere usato come tale è discutibile. Gli scienziati di Jülich hanno ora scoperto che svolge un ruolo importante nella stabilità dei nanomagneti. Questi sono di grande interesse tecnico per la memorizzazione magnetica dei dati, ma finora non sono mai stati sufficientemente stabili. I ricercatori stanno ora indicando la strada per rendere possibile la produzione di nanomagneti con una bassa energia di punto zero e quindi un più alto grado di stabilità ( Nano lettere , DOI:10.1021/acs.nanolett.6b01344).

Dagli anni '70, il numero di componenti nei chip dei computer è raddoppiato ogni uno o due anni, le loro dimensioni diminuiscono. Questo sviluppo ha reso la produzione di piccoli, computer potenti come gli smartphone possibili per la prima volta. Intanto, molti componenti sono grandi quanto un virus e il processo di miniaturizzazione è rallentato. Questo perché al di sotto di circa un nanometro, un miliardesimo di metro di grandezza, entrano in gioco gli effetti quantistici. Lo rendono più difficile, Per esempio, stabilizzare i momenti magnetici. I ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di materiali adatti per nanomagneti magneticamente stabili in modo che i dati possano essere archiviati in modo sicuro negli spazi più piccoli.

In tale contesto, stabile significa che i momenti magnetici puntano coerentemente in una delle due direzioni preassegnate. La direzione quindi codifica il bit. Però, i momenti magnetici degli atomi sono sempre in movimento. L'innesco qui è la cosiddetta energia di punto zero, l'energia che un sistema quantomeccanico possiede nel suo stato fondamentale a temperatura zero assoluto. "Fa fluttuare i momenti magnetici degli atomi anche alle temperature più basse e quindi lavora contro la stabilità dei momenti magnetici", spiega il dottor Julen Ibañez-Azpiroz, dall'Helmholtz Young Investigators Group "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" presso il Peter Grünberg Institute e presso l'Institute for Advanced Simulation. Quando c'è troppa energia nel sistema, i momenti magnetici si capovolgono e le informazioni salvate vengono perse.

"I nostri calcoli mostrano che le fluttuazioni magnetiche di punto zero possono raggiungere anche lo stesso ordine di grandezza del momento magnetico stesso", riferisce Ibañez-Azpiroz. "Questo spiega perché la ricerca di nanomagneti stabili è così difficile". C'è, però, anche una contropartita a questo, sotto forma di barriera energetica, che il momento deve superare mentre ruota. L'altezza della barriera dipende dal materiale di cui è composta.

I ricercatori di Jülich hanno studiato in dettaglio come gli effetti quantistici influenzano la stabilità magnetica utilizzando materiali particolarmente promettenti della classe dei metalli di transizione. Dai loro risultati hanno stabilito linee guida per lo sviluppo di nanomagneti stabili con bassi livelli di fluttuazioni quantistiche. Il loro grafico che mostra l'idoneità di diversi elementi dovrebbe servire come kit di costruzione per combinare nanomagneti complessi costituiti da diversi atomi.

"Abbiamo riscontrato le più piccole fluttuazioni in materiali con un forte momento magnetico che allo stesso tempo interagisce debolmente con quello del materiale portante. Inoltre, il materiale va scelto in modo che la barriera energetica che impedisce la rotazione del momento magnetico sia la più ampia possibile", ha riassunto il prof. Samir Lounis, il fisico a capo del Young Investigator Group. "Questa conoscenza ha un'applicazione pratica:ad esempio, raggruppare gli atomi aumenta il momento magnetico totale e si dovrebbe scegliere un materiale di supporto isolante invece di uno metallico".

Gli scienziati hanno studiato sistematicamente la connessione tra le proprietà caratteristiche degli atomi e la forza delle fluttuazioni magnetiche causate dall'energia di punto zero. Per questo, usavano i cosiddetti calcoli "ab initio", che si basano solo su leggi fisiche generalmente accettate, senza adattamenti ai dati sperimentali. Ibañez-Azpiroz ora pianifica ulteriori calcoli per vedere come il numero di atomi influenza le fluttuazioni.