De magnetiska egenskaperna hos en kromhalogenid kan ställas in genom att manipulera de icke-magnetiska atomerna i materialet, ett lag, ledd av forskare från Boston College, rapporterar i den senaste upplagan av Vetenskapliga framsteg .

Den till synes kontraintuitiva metoden är baserad på en mekanism som kallas en indirekt utbytesinteraktion, enligt Boston College biträdande professor i fysik Fazel Tafti, en huvudförfattare till rapporten.

En indirekt interaktion förmedlas mellan två magnetiska atomer via en icke-magnetisk atom som kallas liganden. Resultaten från Tafti Lab visar att genom att ändra sammansättningen av dessa ligandatomer, alla magnetiska egenskaper kan enkelt ställas in.

"Vi tog upp en grundläggande fråga:är det möjligt att kontrollera de magnetiska egenskaperna hos ett material genom att ändra de icke-magnetiska elementen?" sa Tafti. "Denna idé och metodiken vi rapporterar om är utan motstycke. Våra resultat visar ett nytt tillvägagångssätt för att skapa syntetiska lagermagneter med oöverträffad nivå av kontroll över deras magnetiska egenskaper."

Magnetiska material är ryggraden i den senaste tekniken, som det magnetiska minnet i våra mobila enheter. Det är vanligt att justera de magnetiska egenskaperna genom att modifiera de magnetiska atomerna i ett material. Till exempel, ett magnetiskt element, som krom, kan ersättas med en annan, såsom järn.

Teamet studerade sätt att experimentellt kontrollera de magnetiska egenskaperna hos oorganiska magnetiska material, specifikt, kromhalogenider. Dessa material är gjorda av en kromatom och tre halogenatomer:klor, Brom, och jod.

Det centrala fyndet illustrerar en ny metod för att kontrollera de magnetiska interaktionerna i skiktade material genom att använda en speciell interaktion känd som ligand spin-orbit-koppling. Spinn-omloppskopplingen är en egenskap hos en atom att omorientera riktningen för spinn – de små magneterna på elektronerna – med elektronernas omloppsrörelse runt atomerna.

Denna interaktion styr magnetismens riktning och storlek. Forskare har varit bekanta med spin-omloppskopplingen av magnetiska atomer, men de visste inte att spin-omloppskopplingen av de icke-magnetiska atomerna också kunde användas för att omorientera spinnen och ställa in de magnetiska egenskaperna, enligt Tafti.

Teamet blev förvånade över att de kunde generera ett helt fasdiagram genom att modifiera de icke-magnetiska atomerna i en förening, sa Tafti, som skrev rapporten tillsammans med andra BC-fysiker Ying Ran och Kenneth Burch, postdoktorala forskarna Joseph Tang och Mykola Abramchuk, doktorand Faranak Bahrami, och studenter Thomas Tartaglia och Meaghan Doyle. Julia Chan och Gregory McCandless från University of Texas, Dallas, och Jose Lado från Finlands Aalto-universitet, var också en del av laget.

"Detta fynd lägger fram en ny procedur för att kontrollera magnetism i skiktade material, öppnar en väg för att skapa nya syntetiska magneter med exotiska egenskaper, sade Tafti. Dessutom, vi hittade starka signaturer på ett potentiellt exotiskt kvanttillstånd associerat med magnetisk frustration, en oväntad upptäckt som kan leda till en ny spännande forskningsriktning."

Tafti sa att nästa steg är att använda dessa material i innovativ teknik som magneto-optiska enheter eller den nya generationen magnetiska minnen.