“突破”零点能——磁存储数据的福音！

材料牛注：由于原子磁矩处于不断变化之中，无法实现利用磁对数据的有效存储。Jülich研究所的科学家们通过对原子的零点能以及磁矩进行研究，建立了制备高稳定性、低零点能的稳定纳米磁体的准则，为数据的安全稳定存储提供了可能。

谈到零点能，这个概念对那些喜欢看电影或是电视剧的人来说绝不陌生，在一些影视虚幻世界，比如动画电影超人特工队或者电视剧星际之门中，这个词往往意味着无穷无尽的强大力量源。但是在现实中，这种能量能否被应用仍然是一个充满争议的话题。Jülich研究所的科学家们日前发现了零点能在稳定纳米磁体中的重要作用。利用磁存储数据的想法一直以来引起了很多人的注意，但是目前还没有实现磁对数据的稳定存储。

自20世纪70年代以来，电脑芯片中的零部件数量在每一两年内成倍增加，同时尺寸也在不断减小。这种零部件的发展促进了智能化、小型化电脑的普及，比如智能手机的广泛应用。但是同时，由于很多零部件几乎和病毒一样小，其小型化的发展逐渐减慢。这是由于当尺寸减小至纳米级，也就是一米的十亿分之一时，量子效应对部件的影响将占主要地位。量子效应将会对零件的使用产生什么影响呢？比如说，当尺寸减小至纳米级时，磁矩很难稳定。所以，世界各地的研究人员致力于寻找一种合适的材料，在纳米磁体中达到稳定磁化状态，从而实现在小尺寸下数据的安全储存。

Jülich研究所的科学家们探索了一种用于构建稳定纳米磁体的理想方法。研究人员发现，制备低零点能的纳米磁体，能够提高磁稳定性，从而使磁存储数据成为可能。

在本文中，稳定磁化状态指的是材料的磁矩稳定地指向预先设定的方向。在确定磁矩方向后，在预先确定的方向上进行编码。然而，原子的磁矩总是处于变化中。原子磁矩的变化主要与零点能有关，即在绝对零度下基态量子力学系统具有的能量。Helmholtz Young研究组“功能纳米级结构探针和模拟实验室”隶属Peter Grünberg研究所和先进模拟研究所（IAS），该研究组的Julen Ibañez-Azpiroz博士解释道，零点能的存在使得原子即使在极低的温度下也会发生振动，从而降低了原子磁矩的稳定性。当体系中存在过多的能量时，原子的磁矩改变，储存的数据丢失。

Ibañez-Azpiroz博士同时提到，根据计算，在绝对零度时零点能的变化幅度甚至和磁矩的大小处于同一数量级。这解释了为什么对于稳定纳米磁体的研究会如此困难。但是，当磁体的磁矩旋转时，必须克服能量势垒的存在。能量势垒的大小取决于原材料。

Jülich研究所的研究人员通过对一系列很有发展前景的过渡金属的研究，得出了量子效应与磁体稳定性之间的关系。根据实验结果，他们建立了指导低量子波动的稳定纳米磁体研发的准则。指导准则表明，不同元素的稳定性应该作为具有不同原子的复杂纳米磁体结合的构建原则。

我们发现当具有强磁矩的材料其磁矩的变化处于最小值时，材料与载体的作用力是最小的。而且，这种材料具有很大磁矩旋转势垒，可以用来构建稳定纳米磁体，Young 研究组的首席物理学家Samir Lounis教授总结说。这个结论具有很强的实用性。比如说，当材料为一些原子基团时，总体磁矩增大，就应该选择绝缘体作为载体而不是金属。

在这项研究中，科学家们对原子的性质以及由零点能引起的磁波动之间的关系进行了系统的研究。他们仅使用了以普适物理定理为基础的第一原理进行模拟计算，没有引入实验数据因子进行修正。Ibañez-Azpiroz博士目前计划进行深入计算，研究原子数目对磁矩变化的影响。

原文链接：Atomic Bits Despite Zero-Point Energy?

研究成果已发表于期刊Nano Lett.，文献链接：Zero-Point Spin-Fluctuations of Single Adatoms.

本文由编辑部顾玥提供素材，张涵之编译，万鑫浩审核。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。