“突破”零點能——磁存儲數據的福音！

材料牛注：由于原子磁矩處于不斷變化之中，無法實現利用磁對數據的有效存儲。Jülich研究所的科學家們通過對原子的零點能以及磁矩進行研究，建立了制備高穩定性、低零點能的穩定納米磁體的準則，為數據的安全穩定存儲提供了可能。

談到零點能，這個概念對那些喜歡看電影或是電視劇的人來說絕不陌生，在一些影視虛幻世界，比如動畫電影超人特工隊或者電視劇星際之門中，這個詞往往意味著無窮無盡的強大力量源。但是在現實中，這種能量能否被應用仍然是一個充滿爭議的話題。Jülich研究所的科學家們日前發現了零點能在穩定納米磁體中的重要作用。利用磁存儲數據的想法一直以來引起了很多人的注意，但是目前還沒有實現磁對數據的穩定存儲。

自20世紀70年代以來，電腦芯片中的零部件數量在每一兩年內成倍增加，同時尺寸也在不斷減小。這種零部件的發展促進了智能化、小型化電腦的普及，比如智能手機的廣泛應用。但是同時，由于很多零部件幾乎和病毒一樣小，其小型化的發展逐漸減慢。這是由于當尺寸減小至納米級，也就是一米的十億分之一時，量子效應對部件的影響將占主要地位。量子效應將會對零件的使用產生什么影響呢？比如說，當尺寸減小至納米級時，磁矩很難穩定。所以，世界各地的研究人員致力于尋找一種合適的材料，在納米磁體中達到穩定磁化狀態，從而實現在小尺寸下數據的安全儲存。

Jülich研究所的科學家們探索了一種用于構建穩定納米磁體的理想方法。研究人員發現，制備低零點能的納米磁體，能夠提高磁穩定性，從而使磁存儲數據成為可能。

在本文中，穩定磁化狀態指的是材料的磁矩穩定地指向預先設定的方向。在確定磁矩方向后，在預先確定的方向上進行編碼。然而，原子的磁矩總是處于變化中。原子磁矩的變化主要與零點能有關，即在絕對零度下基態量子力學系統具有的能量。Helmholtz Young研究組“功能納米級結構探針和模擬實驗室”隸屬Peter Grünberg研究所和先進模擬研究所（IAS），該研究組的Julen Iba?ez-Azpiroz博士解釋道，零點能的存在使得原子即使在極低的溫度下也會發生振動，從而降低了原子磁矩的穩定性。當體系中存在過多的能量時，原子的磁矩改變，儲存的數據丟失。

Iba?ez-Azpiroz博士同時提到，根據計算，在絕對零度時零點能的變化幅度甚至和磁矩的大小處于同一數量級。這解釋了為什么對于穩定納米磁體的研究會如此困難。但是，當磁體的磁矩旋轉時，必須克服能量勢壘的存在。能量勢壘的大小取決于原材料。

Jülich研究所的研究人員通過對一系列很有發展前景的過渡金屬的研究，得出了量子效應與磁體穩定性之間的關系。根據實驗結果，他們建立了指導低量子波動的穩定納米磁體研發的準則。指導準則表明，不同元素的穩定性應該作為具有不同原子的復雜納米磁體結合的構建原則。

我們發現當具有強磁矩的材料其磁矩的變化處于最小值時，材料與載體的作用力是最小的。而且，這種材料具有很大磁矩旋轉勢壘，可以用來構建穩定納米磁體，Young 研究組的首席物理學家Samir Lounis教授總結說。這個結論具有很強的實用性。比如說，當材料為一些原子基團時，總體磁矩增大，就應該選擇絕緣體作為載體而不是金屬。

在這項研究中，科學家們對原子的性質以及由零點能引起的磁波動之間的關系進行了系統的研究。他們僅使用了以普適物理定理為基礎的第一原理進行模擬計算，沒有引入實驗數據因子進行修正。Iba?ez-Azpiroz博士目前計劃進行深入計算，研究原子數目對磁矩變化的影響。

原文鏈接：Atomic Bits Despite Zero-Point Energy?

研究成果已發表于期刊Nano Lett.，文獻鏈接：Zero-Point Spin-Fluctuations of Single Adatoms.

本文由編輯部顧玥提供素材，張涵之編譯，萬鑫浩審核。

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