Rechnen mit Nanomagneten

Die so genannte Nullpunkts­energie dient in der Science Fiction als mächtige und schier unerschöpf­liche Energie­quelle. Ob sie sich dafür tatsächlich jemals wird nutzen lassen, ist umstritten. Jülicher Forscher fanden nun heraus, dass sie eine wichtige Rolle für die Stabilität von Nano­magneten spielt. Diese sind von großem technischen Interesse für die magnetische Speicherung von Daten, aber bisher nicht stabil genug. Die Forscher zeigen nun Wege auf, Nano­magnete mit geringer Nullpunkts­energie und dadurch hoher Stabilität möglich zu machen.

Seit den 1970er-Jahren verdoppelt sich die Zahl der Komponenten auf Computer­­chips alle ein bis zwei Jahre, ihre Größe verringert sich. Diese Entwicklung hat kleine und leistungs­fähige Rechner, etwa Smartphones, erst möglich gemacht. Inzwischen sind viele Bauteile nur noch etwa so groß wie ein Virus und der Minia­turisierungs­prozess hat sich verlangsamt. Denn unterhalb einer Größe von etwa einem Nanometer, einem Milliardstel Meter, kommen Quanten­effekte ins Spiel. Sie erschweren es zum Beispiel, magnetische Momente zu stabilisieren. Forscher weltweit suchen nach geeigneten Materialien für magnetisch stabile Nanomagnete, um damit Daten auf engstem Raum sicher speichern können.

Stabil heißt in diesem Zusammenhang, dass die magnetischen Momente dauerhaft in eine von zwei festgelegten Richtungen zeigen. Eine Richtung kodiert dann ein Bit. Jedoch sind die magne­tischen Momente von Atomen immer in Bewegung. Auslöser ist die so genannte Nullpunktsenergie. Das ist die Energie, die ein quanten­mechanisches System im Grundzustand am absoluten Temperatur­nullpunkt besitzt. „Sie bringt die magne­tischen Momente von Atomen selbst bei tiefsten Temperaturen zum Zittern und wirkt so einer stabilen Ausrichtung des magnetischen Moments entgegen“, erläutert Julen Ibañez-Azpiroz, Mitarbeiter der Helmholtz-Nachwuchs­­gruppe „Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory“ am Peter Grünberg Institut und am Institute for Advanced Simulation. Wenn zu viel Energie im System steckt, klappen die magnetischen Momente um und die gespeicherten Infor­mationen gehen verloren.

„Unsere Berechnungen zeigen, dass die magnetischen Nullpunkts­fluktuationen sogar die gleiche Größen­­ordnung erreichen können wie das magnetische Moment selbst“, berichtet Ibañez-Azpiroz. „Dies erklärt, warum die Suche nach stabilen Nano­­magneten so schwierig ist.“ Jedoch gibt es auch einen Gegen­spieler in Form einer Energie­­barriere, die das Moment beim Rotieren überwinden muss. Ihre Höhe hängt vom Material ab.

Wie die Quanten­effekte die magnetische Stabilität im Detail beeinflussen, untersuchten die Jülicher Forscher an besonders vielver­sprechenden Materialien aus der Klasse der Übergangs­metalle und erstellten aus ihren Ergebnissen einen Leitfaden für die Entwicklung stabiler Nanomagnete mit geringer Quanten­fluktuation: Ihre Tabelle über die Eignung ver­schiedener Elemente soll als Baukasten für die Zusammen­stellung komplexer Nanomagnete aus mehreren Atomen dienen.

„Die geringsten Fluktua­tionen zeigen Materialien, die ein starkes magnetisches Moment besitzen, das gleichzeitig nur schwach mit denen des Träger­materials wechselwirkt. Außerdem sollte das Material so gewählt sein, dass die Energie­barriere, die die Rotation des magne­tischen Moments behindert, möglichst hoch ist“, fasst Samir Lounis die Ergebnisse zusammen. Der Physiker leitet die Nachwuchs­gruppe. „Praktisch lässt sich das Wissen nutzen, indem man zum Beispiel Atome gruppiert, so dass das gemeinsame magnetische Moment vergrößert wird, und ein isolierendes Trägermaterial anstelle eines metallischen wählt.“

Die Forscher hatten systematisch den Zusammenhang zwischen charakteris­tischen Eigenschaften der Atome und der Stärke der magnetischen Fluktua­tionen untersucht, die durch die Nullpunkts­energie verursacht werden. Dazu nutzten sie so genannte „ab initio“-Berechnungen, die nur auf allgemein akzeptierten physika­lischen Gesetzmäßig­keiten aufbauen und ohne Anpassung an experimentelle Daten auskommen. Wie die Zahl der Atome die Fluktua­tionen beeinflusst, plant Ibañez-Azpiroz in weiteren Berechnungen zu untersuchen.

FZJ / JOL