De energie die nodig is om de magnetische oriëntatie van een enkel atoom te veranderen - die de magnetische stabiliteit en dus het nut ervan in een verscheidenheid aan toekomstige apparaattoepassingen bepaalt - kan worden gewijzigd door de elektrische koppeling van het atoom met nabijgelegen metalen te variëren.

Dit opvallende resultaat werd vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie door een internationale groep wetenschappers werkzaam bij het London Centre for Nanotechnology (LCN) aan de UCL (VK), het Iberisch laboratorium voor nanotechnologie (Portugal), de Universiteit van Zaragoza (Spanje), en het Max Planck Instituut voor Microstructuurfysica (Duitsland).

Iedereen die met twee magneten speelt, kan ervaren hoe ze elkaar afstoten of aantrekken, afhankelijk van de relatieve oriëntatie van hun magnetische polen. Het feit dat in een bepaalde magneet deze polen in een specifieke richting liggen in plaats van willekeurig georiënteerd te zijn, staat bekend als magnetische anisotropie, en deze eigenschap wordt gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, variërend van kompasnaalden tot harde schijven.

"Voor 'grote' stukken magnetisch materiaal, " benadrukte Dr. Joaquín Fernández-Rossier van het INL, "magnetische anisotropie wordt voornamelijk bepaald door de vorm van een magneet. De atomen die het magnetische materiaal vormen, zijn zelf ook magnetisch, en hebben daarom hun eigen magnetische anisotropie. Echter, atomen zijn zo klein dat het nauwelijks mogelijk is om er een vorm aan toe te kennen, en de magnetische anisotropie van een atoom wordt meestal bepaald door de positie en lading van de naburige atomen."

Met behulp van een scanning tunneling microscoop, een instrument dat in staat is om een ​​individueel atoom op een oppervlak waar te nemen en te manipuleren, LCN-onderzoekers en hun collega's ontdekten een nieuw mechanisme dat magnetische anisotropie op atomaire schaal regelt.

In hun experiment hebben het onderzoeksteam observeerde dramatische variaties in de magnetische anisotropie van individuele kobaltatomen, afhankelijk van hun locatie op een koperen oppervlak bedekt met een atomair dunne isolerende laag van kopernitride.

Deze variaties waren gecorreleerd met grote veranderingen in de intensiteit van een ander fenomeen - het Kondo-effect - dat ontstaat door elektrische koppeling tussen een magnetisch atoom en een nabijgelegen metaal. Met behulp van theoretische en computationele modellering uitgevoerd in Duitsland en Portugal, vonden de onderzoekers dat, naast de conventionele structurele mechanismen, de elektronische interacties tussen het metalen substraat en het magnetische atoom kunnen ook een belangrijke rol spelen bij het bepalen van magnetische anisotropie.

"Elektrische besturing van een eigenschap die voorheen alleen kon worden afgestemd door structurele veranderingen, zal aanzienlijke nieuwe mogelijkheden bieden bij het ontwerpen van de kleinst mogelijke apparaten voor informatieverwerking, gegevens opslag, en voelen, ", zegt LCN-onderzoeker dr. Cyrus Hirjibehedin.

In tegenstelling tot de meer conventionele mechanismen, deze bijdrage aan de magnetische anisotropie kan elektrisch worden afgestemd met hetzelfde proces dat veel transistors aandrijft, het veldeffect. Deze resultaten zijn bijzonder actueel omdat ze de inspanningen ondersteunen om materiële systemen met grote magnetische anisotropie te vinden die vrij zijn van zeldzame aardelementen, schaarse grondstoffen waarvan de mijnbouw een grote milieu-impact heeft.