Elektrisk styring af enkeltatommagneter

Den energi, der er nødvendig for at ændre den magnetiske orientering af et enkelt atom – som bestemmer dets magnetiske stabilitet og derfor dets anvendelighed i en række fremtidige enhedsapplikationer – kan modificeres ved at variere atomets elektriske kobling til nærliggende metaller.

Dette slående resultat blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur nanoteknologi af en international gruppe videnskabsmænd, der arbejder ved London Centre for Nanotechnology (LCN) ved UCL (UK), det iberiske nanoteknologilaboratorium (Portugal), universitetet i Zaragoza (Spanien), og Max Planck Institute of Microstructure Physics (Tyskland).

Enhver, der leger med to magneter, kan opleve, hvordan de frastøder eller tiltrækker hinanden afhængigt af deres magnetiske polers relative orientering. Det faktum, at disse poler i en given magnet ligger langs en bestemt retning i stedet for at være tilfældigt orienteret, er kendt som magnetisk anisotropi, og denne egenskab udnyttes i en række forskellige applikationer lige fra kompasnåle til harddiske.

"For 'store' stykker magnetisk materiale, " understregede Dr. Joaquín Fernández-Rossier fra INL, "magnetisk anisotropi bestemmes primært af formen på en magnet. De atomer, der danner det magnetiske materiale, er også selv magnetiske, og har derfor deres egen magnetiske anisotropi. Imidlertid, atomer er så små, at det næppe er muligt at tilskrive dem en form, og den magnetiske anisotropi af et atom er typisk styret af positionen og ladningen af ​​de tilstødende atomer."

Ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop, et instrument, der er i stand til at observere og manipulere et individuelt atom på en overflade, LCN-forskere og deres kolleger opdagede en ny mekanisme, der styrer magnetisk anisotropi på atomær skala.

I deres eksperiment, forskerholdet observerede dramatiske variationer i den magnetiske anisotropi af individuelle koboltatomer afhængigt af deres placering på en kobberoverflade dækket af et atomisk tyndt isolerende lag af kobbernitrid.

Disse variationer var korreleret med store ændringer i intensiteten af ​​et andet fænomen - Kondo-effekten - der opstår fra elektrisk kobling mellem et magnetisk atom og et nærliggende metal. Ved hjælp af teoretisk og beregningsmæssig modellering udført i Tyskland og Portugal, fandt forskerne ud af, ud over de konventionelle strukturelle mekanismer, de elektroniske interaktioner mellem metalsubstratet og det magnetiske atom kan også spille en stor rolle ved bestemmelse af magnetisk anisotropi.

"Elektrisk kontrol af en ejendom, der tidligere kun kunne tunes gennem strukturelle ændringer, vil muliggøre betydelige nye muligheder, når man designer de mindst mulige enheder til informationsbehandling, data opbevaring, og sansning, " sagde LCN-forsker Dr. Cyrus Hirjibehedin.

I modsætning til de mere konventionelle mekanismer, dette bidrag til den magnetiske anisotropi kan tunes elektrisk ved hjælp af den samme proces, der driver mange transistorer, felteffekten. Disse resultater er særligt rettidige, fordi de understøtter bestræbelser på at finde materialesystemer med stor magnetisk anisotropi, der er fri for sjældne jordarters grundstoffer, knappe råvarer, hvis minedrift har stor miljøpåvirkning.