Ett nytt tillvägagångssätt för att designa konstgjorda material skulle kunna möjliggöra magnetiska enheter med ett bredare utbud av egenskaper än de som nu finns tillgängliga. Ett internationellt team av forskare har nu utökat egenskaperna och potentiella användningsområden för metamaterial genom att använda inte en utan två mycket olika klasser av nanostrukturer, eller metamolekyler.

Egenskaperna hos ett ämne är till stor del beroende av dess ingående atomer och hur dessa atomer interagerar med varandra. Det ändliga antalet atomtyper, dock, sätter en gräns för utbudet av egenskaper som ett konventionellt material kan ha. I kontrast, en ny klass av konstruerade material som kallas metamaterial har ingen sådan begränsning. Metamaterial är vanligtvis sammansatta av en rad nanostrukturer som kan interagera med elektromagnetiska vågor på ungefär samma sätt som atomer. Dessutom, de optiska egenskaperna hos dessa metamaterial kan justeras genom att ändra storleken och formen på nanostrukturer.

Ett internationellt team av forskare ledda av Boris Luk'yanchuk vid A*STAR Data Storage Institute har nu utökat egenskaperna och potentiella användningsområden för metamaterial genom att använda inte en utan två mycket olika klasser av nanostrukturer, eller metamolekyler.

Luk'yanchuk och teamet modellerade matematiskt en tvådimensionell uppsättning metamolekyler som består av en kiselkula bredvid en delvis ofullständig kopparring. De studerade inverkan av både sfären och den delade ringen på den magnetiska komponenten i en infallande elektromagnetisk våg - en egenskap som kallas magnetisering.

"När de två strukturerna var mer än en mikrometer från varandra, de verkade båda för att öka det lokala magnetfältet, säger Luk'yanchuk. Men, de började interagera när de flyttades närmare varandra, och forskarna observerade att magnetiseringen av den delade ringen minskar och till och med blir negativ för separationer mindre än 0,5 mikrometer.

Denna situation är något analog med den magnetiska ordningen i "naturliga" material. När alla atomer bidrar på ett positivt sätt till ett materials magnetiska egenskaper, materialet blir en ferromagnet. Dock, när alternerande områden av materialet har motsatt magnetisering, materialet sägs vara antiferromagnetiskt.

"Vi visar att våra hybridgitter av metamolekyler uppvisar avståndsberoende magnetisk interaktion, öppnar nya sätt att manipulera artificiell antiferromagnetism med lågförlustmaterial, " förklarar Luk'yanchuk.

Även om analogin mellan metamaterial och magnetiska material inte är perfekt, de flesta metamaterial sägs vara ferromagnetliknande. Designen som föreslagits av Luk'yanchuk och teamet efterliknar antiferromagnetisk ordning, och detta öppnar en möjlighet för forskare att studera antiferromagnetiska fenomen i metamaterial. Ett anmärkningsvärt exempel är jättemagnetoresistans, ett fenomen som är kärnan i moderna elektroniska minnen.

Luk'yanchuk bekräftar att en metamaterialanalog skulle erbjuda spännande forskningsmöjligheter. "Vi tror att vårt arbete har potential att ha en stark inverkan på utvecklingen av integrerade lösningar på chip för omkonfigurerbara och optiskt kontrollerade metamaterial."