Fysiker, apotek, och materialforskare har undersökt naturen hos skiktade magnetiska material i flera decennier, söka efter ledtrådar till egenskaperna hos dessa material som är mer komplexa än de verkar.

Lagermaterial liknar strukturen i en bok. På avstånd, det ser ut som ett solidt tredimensionellt föremål men när det undersöks närmare, den är gjord av staplingen av många platta, tvådimensionella ark som liknar sidorna i en bok.

Under det senaste decenniet, forskare har bedrivit "exfoliering" av skiktade magnetiska material, en process genom vilken ett material systematiskt klyvs tills ett enda atomark isoleras.

Ett enda atomark av ett magnetiskt skiktat material tillåter forskare att tillverka atomärt platt, ultratunna magnetiska enheter. Som ett exempel, forskare har konstruerat ultratunna "magnetiska minnen - enstaka atomark där information lagras i riktningsorienteringen av atomernas magnetisering.

Magnetiseringen av ett skiktat material är typiskt orienterad antingen parallellt eller vinkelrätt mot atomplanet. Med andra ord, magnetisering tenderar att peka antingen "i planet" eller "utanför planet" - vilket indikerar vad som är känt som en magnetisk anisotropi.

Än så länge, forskare var bara medvetna om gränserna för magnetisk anisotropi i planet eller utanför planet. Med andra ord, förmågan att kontrollera orienteringen av magnetismen definierades av bara de två parametrarna för anisotropi.

I en ny rapport i Avancerade material , forskare från Boston College visar att magnetisk anisotropi kontinuerligt kan ställas in mellan de två gränserna för in-plane och out-of-plane. Teamet rapporterar att det uppnådde detta framsteg på arenan för ultratunna magnetiska enheter genom att framgångsrikt peka magnetiseringen mot valfri riktning i rymden istället för bara i planet eller utanför planet.

"Förutom magnetiseringsriktningen, vårt team visade att alla egenskaper hos dessa skiktade material inklusive ljusabsorption, avstånd mellan lagren, och temperaturen för magnetisk övergång kan styras kontinuerligt till vilket önskat värde som helst, " sa Boston College biträdande professor i fysik Fazel Tafti, huvudförfattare till tidningen. "Detta är ett framsteg när det gäller att trimma materialegenskaper för industrin för optiska och magnetiska enheter."

För att göra materialet, ett team ledd av Tafti och Boston College docent i fysik Kenneth Burch utvecklade en "mixed-halide chemistry"-metod där forskare kombinerade olika halogenidatomer, som klor eller brom, runt en övergångsmetall som krom.

Genom att justera den relativa sammansättningen av klor till brom, forskarna kunde justera en intern parameter på atomnivå, känd som spin-orbit-kopplingen som är källan till magnetisk anisotropi, sa Tafti.

Inställningsmetoden möjliggör konstruktion av mängden spin-omloppskoppling och orienteringen av magnetisk anisotropi på atomnivå, laget rapporterade.

Tafti sa att utvecklingen av dessa typer av material kommer att utgöra grunden för nästa generations ultratunna magnetiska enheter. I framtiden, dessa enheter kan en dag ersätta de transistorer och elektriska chips som används idag. På grund av deras atomära skala, Tafti sa, ytterligare framsteg kommer sannolikt att krympa storleken på magnetiska enheter eftersom kapaciteten tillåter magnetisk information att sammanställas på dessa atomärt platta ark.

"Härifrån, vi kommer att fortsätta att tänja på gränserna för magnetiska skiktade material genom att tillverka blandade halogenider av andra övergångsmetaller än krom, ", sa Tafti. "Vårt team visade att den blandade halogenidkemin inte är begränsad till krom och kan generaliseras till över 20 andra övergångsmetaller. Medledaren för projektet, Kenneth Burch, försöker att på konstgjord väg sammankoppla olika magnetiska lager så att egenskaperna hos ett lager skulle påverka det intilliggande. Sådana metamaterial kan förändra ljusets utbredning i ett lager baserat på magnetismens riktning i det angränsande lagret och vice versa - en egenskap som kallas den magnetoptiska effekten."