Den energi som behövs för att ändra den magnetiska orienteringen av en enskild atom – vilket bestämmer dess magnetiska stabilitet och därför dess användbarhet i en mängd olika framtida enhetstillämpningar – kan modifieras genom att variera atomens elektriska koppling till närliggande metaller.

Detta slående resultat publicerades idag i tidskriften Naturens nanoteknik av en internationell grupp forskare som arbetar vid London Centre for Nanotechnology (LCN) vid UCL (UK), Iberian Nanotechnology Laboratory (Portugal), universitetet i Zaragoza (Spanien), och Max Planck Institute of Microstructure Physics (Tyskland).

Alla som leker med två magneter kan uppleva hur de stöter bort eller attraherar varandra beroende på den relativa orienteringen av deras magnetiska poler. Det faktum att i en given magnet dessa poler ligger längs en specifik riktning snarare än att vara slumpmässigt orienterade är känt som magnetisk anisotropi, och den här egenskapen utnyttjas i en mängd olika applikationer, från kompassnålar till hårddiskar.

"För "stora" bitar av magnetiskt material, " betonade Dr Joaquín Fernández-Rossier från INL, "magnetisk anisotropi bestäms främst av formen på en magnet. Atomerna som bildar det magnetiska materialet är också själva magnetiska, och har därför sin egen magnetiska anisotropi. Dock, atomer är så små att det knappast är möjligt att tillskriva dem en form, och den magnetiska anisotropin hos en atom styrs typiskt av positionen och laddningen hos de närliggande atomerna."

Med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop, ett instrument som kan observera och manipulera en enskild atom på en yta, LCN-forskare och deras kollegor upptäckte en ny mekanism som styr magnetisk anisotropi på atomär skala.

I deras experiment, forskargruppen observerade dramatiska variationer i den magnetiska anisotropin hos enskilda koboltatomer beroende på deras placering på en kopparyta täckt med ett atomärt tunt isolerande lager av kopparnitrid.

Dessa variationer korrelerades med stora förändringar i intensiteten av ett annat fenomen - Kondo-effekten - som uppstår från elektrisk koppling mellan en magnetisk atom och en närliggande metall. Med hjälp av teoretiska och beräkningsmodeller utförda i Tyskland och Portugal, forskarna fann att förutom de konventionella strukturella mekanismerna, de elektroniska interaktionerna mellan metallsubstratet och den magnetiska atomen kan också spela en stor roll vid bestämning av magnetisk anisotropi.

"Elektrisk kontroll av en fastighet som tidigare endast kunde trimmas genom strukturella förändringar kommer att möjliggöra betydande nya möjligheter när man designar minsta möjliga enheter för informationsbehandling, datalagring, och känna, " sa LCN-forskaren Dr Cyrus Hirjibehedin.

I motsats till de mer konventionella mekanismerna, detta bidrag till den magnetiska anisotropin kan ställas in elektriskt med samma process som driver många transistorer, fälteffekten. Dessa resultat är särskilt lägliga eftersom de stöder ansträngningar att hitta materialsystem med stor magnetisk anisotropi som är fria från sällsynta jordartsmetaller, knappa råvaror vars gruvdrift har stor miljöpåverkan.