Een nieuwe benadering voor het ontwerpen van kunstmatige materialen kan magnetische apparaten mogelijk maken met een breder scala aan eigenschappen dan die nu beschikbaar zijn. Een internationaal team van onderzoekers heeft nu de eigenschappen en het mogelijke gebruik van metamaterialen uitgebreid door niet één maar twee zeer verschillende klassen nanostructuren te gebruiken, of metamoleculen.

De eigenschappen van een stof zijn grotendeels afhankelijk van de samenstellende atomen en de manier waarop deze atomen met elkaar omgaan. Het eindige aantal atoomtypes, echter, legt een grens op aan de reeks eigenschappen die een conventioneel materiaal kan hebben. In tegenstelling tot, een nieuwe klasse van geconstrueerde materialen, metamaterialen genaamd, heeft zo'n beperking niet. Metamaterialen zijn meestal samengesteld uit een reeks nanostructuren die op vrijwel dezelfde manier kunnen interageren met elektromagnetische golven als atomen. In aanvulling, de optische eigenschappen van deze metamaterialen kunnen worden afgestemd door de grootte en vorm van nanostructuren te veranderen.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Boris Luk'yanchuk van het A*STAR Data Storage Institute heeft nu de eigenschappen en het mogelijke gebruik van metamaterialen uitgebreid door niet één maar twee zeer verschillende klassen nanostructuren te gebruiken. of metamoleculen.

Luk'yanchuk en het team hebben wiskundig een tweedimensionale reeks metamoleculen gemodelleerd, bestaande uit een siliciumbol naast een gedeeltelijk onvolledige koperen ring. Ze bestudeerden de invloed van zowel de bol als de gespleten ring op de magnetische component van een invallende elektromagnetische golf - een eigenschap die bekend staat als magnetisatie.

"Toen de twee structuren meer dan een micrometer van elkaar verwijderd waren, ze werkten allebei om het lokale magnetische veld te vergroten, " zegt Luk'yanchuk. Echter, ze begonnen met elkaar te communiceren toen ze dichter bij elkaar kwamen, en de onderzoekers zagen dat de magnetisatie van de gespleten ring afneemt en zelfs negatief wordt voor scheidingen kleiner dan 0,5 micrometer.

Deze situatie is enigszins analoog aan de magnetische ordening in ‘natuurlijke’ materialen. Wanneer alle atomen op een positieve manier bijdragen aan de magnetische eigenschappen van een materiaal, het materiaal wordt een ferromagneet. Echter, wanneer afwisselende gebieden van het materiaal tegengestelde magnetisatie hebben, het materiaal wordt antiferromagnetisch genoemd.

"We laten zien dat onze hybride roosters van metamoleculen afstandsafhankelijke magnetische interactie vertonen, nieuwe manieren openen om kunstmatig antiferromagnetisme te manipuleren met materialen met weinig verlies, " legt Luk'yanchuk uit.

Hoewel de analogie tussen metamaterialen en magnetische materialen niet perfect is, van de meeste metamaterialen wordt gezegd dat ze ferromagneetachtig zijn. Het door Luk'yanchuk en het team voorgestelde ontwerp bootst antiferromagnetische ordening nauw na, en dit opent de mogelijkheid voor onderzoekers om antiferromagnetische verschijnselen in metamaterialen te bestuderen. Een opmerkelijk voorbeeld is gigantische magnetoweerstand, een fenomeen dat de kern vormt van moderne elektronische herinneringen.

Luk'yanchuk bevestigt dat een analoog van metamateriaal opwindende onderzoeksperspectieven zou bieden. "Wij geloven dat ons werk het potentieel heeft om een ​​sterke impact te hebben op de ontwikkeling van on-chip geïntegreerde oplossingen voor herconfigureerbare en optisch gecontroleerde metamaterialen."