С 1970-х годов количество компонентов в компьютерных микросхемах удваивалось каждые один-два года, а их размер уменьшался. Эта разработка впервые сделала возможным производство небольших мощных компьютеров, таких как смартфоны. Между тем, размер многих компонентов не превышает размера вируса, и процесс миниатюризации замедлился.
Это связано с тем, что размером меньше нанометра, миллиардной метра, вступают в игру квантовые эффекты. Например, они затрудняют стабилизацию магнитных моментов. Исследователи во всем мире ищут подходящие материалы для магнитостабильных наномагнетиков, чтобы данные можно было безопасно хранить в минимальном пространстве.
В этом контексте стабильный означает, что магнитные моменты указывают последовательно в одном из двух заранее заданных направлений. Затем направление кодирует бит.
Однако магнитные моменты атомов всегда находятся в движении. Триггером здесь является так называемая энергия нулевой точки, энергия, которой квантово-механическая система обладает в своем основном состоянии при температуре абсолютного нуля. «Это заставляет магнитные моменты атомов колебаться даже при самых низких температурах и, таким образом, работает против стабильности магнитных моментов», — объясняет д-р Хулен Ибанез-Аспироз из группы молодых исследователей им. Гельмгольца «Лаборатория зондирования и моделирования функциональных наноразмерных структур» в Институте Питера Грюнберга и в Институте перспективного моделирования. Когда в системе присутствует слишком много энергии, магнитные моменты меняются, и сохраненная информация теряется.
«Наши расчеты показывают, что нулевые магнитные флуктуации могут даже достигать того же порядка, что и сам магнитный момент», — сообщает Ибанез-Аспироз. «Это объясняет, почему так сложно найти стабильные наномагнетики». Однако есть и аналог этого в виде энергетического барьера, который момент должен преодолевать при вращении.
Высота барьера зависит от материала, из которого он сделан.Исследователи Julich подробно исследовали, как квантовые эффекты влияют на магнитную стабильность, используя особенно многообещающие материалы из класса переходных металлов.
На основе своих результатов они установили руководящие принципы разработки стабильных наномагнетиков с низким уровнем квантовых флуктуаций. Их диаграмма, показывающая пригодность различных элементов, должна служить конструктором для объединения сложных наномагнетиков, сделанных из нескольких разных атомов.«Мы обнаружили наименьшие флуктуации в материалах с сильным магнитным моментом, который в то же время слабо взаимодействует с материалом носителя. Кроме того, материал следует выбирать так, чтобы энергетический барьер, предотвращающий вращение магнитного момента, был таким же большим. насколько это возможно », — резюмировал профессор Самир Лунис, физик, возглавляющий Группу молодых исследователей. «Эти знания имеют практическое применение: например, группирование атомов вместе увеличивает общий магнитный момент, и вместо металлического материала следует выбирать изолирующий материал-носитель».
Ученые систематически исследовали связь между характерными свойствами атомов и силой магнитных колебаний, вызванных нулевой энергией. Для этого они использовали так называемые «ab initio» расчеты, основанные только на общепринятых физических законах, без адаптации к экспериментальным данным.
Ибанез-Аспироз теперь планирует дальнейшие вычисления, чтобы посмотреть, как количество атомов влияет на колебания.