納米科學:原子位儘管有零點能量?

2020-12-03 緒初南

納米科學:原子位儘管有零點能量?

所謂的「零點能量」是一些電影愛好者或系列愛好者所熟悉的術語; 在動畫電影的虛構世界中,如「超人特工隊」或電視劇「星際之門亞特蘭蒂斯」,它代表著一種強大的,幾乎取之不盡的能源。是否可以這樣使用是有爭議的。Jülich的科學家們現在發現它在納米磁鐵的穩定性中起著重要作用。這些對於數據的磁存儲具有很大的技術意義,但到目前為止從未有過足夠的穩定性。研究人員現在正在指明如何能夠生產零點能量低的納米磁鐵,從而提高穩定性(Nano Letters,DOI:10.1021 / acs.nanolett.6b01344)。

自20世紀70年代以來,計算機晶片中的組件數量每兩到兩年翻一番,其規模逐漸縮小。這一發展使得智慧型手機等小型,功能強大的計算機首次成為可能。與此同時,許多組件只與病毒一樣大,而且小型化過程已經放緩。這是因為在大約一納米,十億分之一米的尺寸下,量子效應發揮作用。例如,它們使得更難以穩定磁矩。世界各地的研究人員正在尋找適合磁穩定納米磁鐵的材料,以便數據可以安全地存儲在最小的空間內。

在這種情況下,穩定意味著磁矩始終指向兩個預先指定的方向之一。然後方向編碼該位。然而,原子的磁矩總是在運動。這裡的觸發器是所謂的零點能量,量子力學系統在絕對零溫度下處於基態的能量。「它使得原子的磁矩即使在最低溫度下也會波動,因而不利於磁矩的穩定性」,來自亥姆霍茲青年研究小組「功能納米結構探針與模擬實驗室」的JulenIbaez-Azpiroz博士解釋道。在PeterGrünberg研究所和高級模擬研究所。當系統內存在太多能量時,磁矩會翻轉並且保存的信息會丟失。

Ibaez-Azpiroz報告說:「我們的計算表明,零點磁波動甚至可以達到與磁矩本身相同的數量級」。「這解釋了為什麼尋找穩定的納米磁鐵非常困難」。然而,還存在與能量屏障形式相對應的對應物,其在旋轉時必須克服該力矩。屏障的高度取決於它的材料。

Jülich的研究人員使用來自過渡金屬類的特別有前景的材料研究了量子效應如何影響磁穩定性。根據他們的結果,他們已經建立了具有低水平量子漲落的穩定納米磁體的開發指南。他們的圖表顯示了不同元素的適用性,應該作為一個結構工具包,用於組合由幾個不同原子製成的複雜納米磁鐵,我們發現具有強磁矩的材料的波動最小,同時與載體材料的相互作用很弱。此外,應選擇材料,以防止磁矩旋轉的能量障礙同樣大儘管如此,「青年調查組小組的物理學家Samir Lounis教授總結道。「這些知識具有實際應用:例如,將原子組合在一起可以擴大總磁矩,應選擇絕緣載體材料而不是金屬材料」。

科學家系統地研究了原子的特徵性質與零點能量引起的磁波動強度之間的聯繫。為此,他們使用所謂的「ab initio」計算,這些計算僅基於普遍接受的物理定律,而不適用於實驗數據。Ibaez-Azpiroz現在計劃進一步計算,看看原子數如何影響波動。

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