La soi-disant « énergie du point zéro » est un terme familier à certains cinéphiles ou fans de séries; dans l'univers fictif des films d'animation comme "Les Indestructibles" ou la série télévisée "Stargate Atlantis", il désigne une source d'énergie puissante et pratiquement inépuisable. Qu'il puisse jamais être utilisé comme tel est discutable. Les scientifiques de Jülich ont maintenant découvert qu'il joue un rôle important dans la stabilité des nano-aimants. Ceux-ci sont d'un grand intérêt technique pour le stockage magnétique des données, mais jusqu'à présent n'ont jamais été suffisamment stables. Les chercheurs ouvrent désormais la voie pour permettre de produire des nano-aimants à faible énergie de point zéro et donc à plus haut degré de stabilité ( Lettres nano , DOI :10.1021/acs.nanolett.6b01344).

Depuis les années 1970, le nombre de composants dans les puces informatiques a doublé tous les un à deux ans, leur taille diminue. Ce développement a rendu la production de petites, ordinateurs puissants tels que les téléphones intelligents possibles pour la première fois. En attendant, de nombreux composants sont à peu près aussi gros qu'un virus et le processus de miniaturisation a ralenti. En effet, en dessous d'environ un nanomètre, un milliardième de mètre, les effets quantiques entrent en jeu. Ils rendent les choses plus difficiles, par exemple, pour stabiliser les moments magnétiques. Les chercheurs du monde entier recherchent des matériaux appropriés pour les nano-aimants magnétiquement stables afin que les données puissent être stockées en toute sécurité dans le plus petit des espaces.

Dans ce contexte, stable signifie que les moments magnétiques pointent de manière cohérente dans l'une des deux directions prédéfinies. La direction code alors le bit. Cependant, les moments magnétiques des atomes sont toujours en mouvement. Le déclencheur ici est ce qu'on appelle l'énergie du point zéro, l'énergie qu'un système de mécanique quantique possède dans son état fondamental au zéro absolu de température. "Il fait fluctuer les moments magnétiques des atomes même aux températures les plus basses et va ainsi à l'encontre de la stabilité des moments magnétiques", explique le Dr Julen Ibañez-Azpiroz, du Helmholtz Young Investigators Group "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" à l'Institut Peter Grünberg et à l'Institut de simulation avancée. Lorsqu'il y a trop d'énergie dans le système, les moments magnétiques se retournent et les informations enregistrées sont perdues.

"Nos calculs montrent que les fluctuations magnétiques du point zéro peuvent même atteindre le même ordre de grandeur que le moment magnétique lui-même", rapporte Ibañez-Azpiroz. "Cela explique pourquoi la recherche de nano-aimants stables est si difficile". Il y a, cependant, aussi une contrepartie à cela, sous forme de barrière énergétique, que le moment doit surmonter en tournant. La hauteur de la barrière dépend du matériau dont elle est faite.

Les chercheurs de Jülich ont étudié en détail comment les effets quantiques influencent la stabilité magnétique en utilisant des matériaux particulièrement prometteurs de la classe des métaux de transition. À partir de leurs résultats, ils ont établi des lignes directrices pour le développement de nano-aimants stables avec de faibles niveaux de fluctuations quantiques. Leur graphique montrant l'adéquation de différents éléments devrait servir de kit de construction pour combiner des nano-aimants complexes constitués de plusieurs atomes différents.

"Nous avons trouvé les plus petites fluctuations dans les matériaux avec un fort moment magnétique qui en même temps interagit faiblement avec celui du matériau porteur. De plus, le matériau doit être choisi de manière à ce que la barrière énergétique qui empêche la rotation du moment magnétique soit aussi grande que possible", a résumé le Pr Samir Lounis, le physicien à la tête du Young Investigator Group. « Cette connaissance a une application pratique :par exemple, le regroupement d'atomes augmente le moment magnétique total et un matériau porteur isolant doit être choisi au lieu d'un matériau métallique".

Les scientifiques ont systématiquement étudié le lien entre les propriétés caractéristiques des atomes et la force des fluctuations magnétiques causées par l'énergie du point zéro. Pour ça, ils ont utilisé des calculs dits "ab initio", qui ne reposent que sur des lois physiques généralement acceptées, sans adaptation aux données expérimentales. Ibañez-Azpiroz prévoit maintenant d'autres calculs pour examiner comment le nombre d'atomes influence les fluctuations.