Onderzoekers van de North Carolina State University hebben ontdekt dat het oxidekeramische materiaal lanthaan strontium manganiet (LSMO) zijn magnetische eigenschappen behoudt in atomair dunne lagen als het wordt "ingeklemd" tussen twee lagen van een ander keramisch oxide, lanthaan strontium-chroomoxide (LSCO). De bevindingen hebben implicaties voor toekomstig gebruik van LSMO in op spintronica gebaseerde computer- en opslagapparaten.

In zijn bulkvorm heeft LSMO zowel magnetische als metallische eigenschappen. De geleidbaarheid van het materiaal kan worden gewijzigd door het magnetische veld te veranderen, wat LSMO aantrekkelijk maakt voor gebruik als schakelaar in spintronic-apparaten. Echter, wanneer het materiaal een bepaalde dunheid bereikt - tussen vijf en tien atoomlagen - verliest het deze eigenschappen.

Goddelijke Kumah, assistent-professor natuurkunde bij NC State en corresponderende auteur van een paper waarin het werk wordt beschreven, wilde weten waarom LSMO zijn magnetische eigenschappen verliest bij een bepaalde dunheid, en om een ​​manier te vinden om LSMO in dunne vorm magnetisch te maken.

Kuma, met collega's en afgestudeerde studenten van NC State, groeide voor het eerst dunne films van LSMO op strontiumtitanaat - een niet-magnetisch substraat dat gewoonlijk wordt gebruikt als een neutrale steiger. Het team kweekte films met een dikte van twee tot tien atoomlagen en testte ze op magnetische eigenschappen.

Volgende, het team gebruikte de synchrotron-lichtbron in het Argonne National Laboratory, zodat ze een driedimensionaal beeld konden krijgen van de rangschikking van de atomen in de dunne lagen van LSMO. Ze ontdekten dat bij extreme dunheid, de zuurstof- en mangaanatomen bewogen enigszins uit de lijn op het oppervlak van het materiaal, effectief uitschakelen van zijn magnetisme.

"Bij ongeveer vijf atomaire lagen zagen we vervormingen op het oppervlak van de laag en aan de onderkant van het skelet, ' zegt Kumah. 'De zuurstof- en mangaanatomen herschikken zich. Magnetisme en elektrische geleidbaarheid in LSMO zijn gerelateerd aan hoe deze twee atomen binden, dus als er polaire vervormingen in de film zijn waar ze op en neer bewegen, de banden strekken zich uit, elektronen kunnen niet effectief door het materiaal bewegen en magnetisme is uitgeschakeld."

Het team merkte op dat deze vervormingen begonnen aan de bovenkant van de film en zich ongeveer drie lagen onder het oppervlak uitstrekten.

"We ontdekten dat de vervormingen optreden omdat de kristalstructuur een elektrisch veld aan het oppervlak creëert, ' zegt Kumah. 'De zuurstof- en mangaanatomen bewegen om het elektrische veld op te heffen. Onze uitdaging was om iets te laten groeien op de interfaces dat structureel compatibel is met LSMO, maar dat ook isoleert, zodat we het elektrische veld verwijderen, de beweging van de zuurstof- en mangaanatomen stoppen en magnetische eigenschappen behouden."

De onderzoekers ontdekten dat door twee lagen LSCO aan weerszijden van de LSMO te gebruiken, de LSMO zou zijn magnetische eigenschappen op twee atomaire lagen kunnen behouden.

"Het is als een sandwich - LSCO is het brood en LSMO is het vlees, " zegt Kumah. "Je kunt in deze opstelling minder dan vijf lagen LSMO gebruiken zonder enige atoomverplaatsing. Hopelijk heeft ons werk aangetoond dat deze materialen dun genoeg kunnen zijn om bruikbaar te zijn in spintronica-apparaten."