Det finns en spricka i allt, Leonard Cohen sjöng; det är så ljuset kommer in. Nu har ett team ledd av forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) utforskat egenskaperna hos en lovande klass av material med nya möjligheter som beror på dessa sprickor. Deras resultat kan hjälpa till att öppna vägen för praktiska applikationer från icke-flyktigt datorminne till snabbdämpande fönster.

Materialen i fråga har döpts till magneto-jonics - magnetiska ämnen med egenskaper som beror på arrangemanget av joner, som är atomer med elektrisk laddning. Datorminnesdesigners gillar dem eftersom de fungerar annorlunda än traditionella elektroniska enheter, som beror på elektronernas rörelse för att representera 1:or och 0:or. Men elektroner fastnar inte i traditionella enheter när strömmen dör.

Ange magnetojonik, som är bildade av flera extremt tunna lager av syrehaltiga kristallina partiklar staplade ovanpå varandra. Dessa partiklar staplas ihop, men har små luckor mellan dem – vilket gör att syrejoner kan röra sig runt bland partiklarna. Om lager av partiklar läggs ner som en tunn film på en yta, jonerna kan flyttas upp och ner genom lagren med hjälp av ett elektriskt fält, ändra hur de beter sig, även att få magnetiska skikt att förlora sin magnetism. Att kontrollera om lagren är magnetiska eller inte tillåter potentiellt informationslagring som 1:or och 0:or. Och när en jon flyttar till en ny plats, det tenderar att stanna där, även utan el.

Andra icke-flyktiga minnesteknologier finns, framför allt hårddiskar och flashminne, men de fungerar relativt långsamt, har relativt kort livslängd och kan inte skalas upp förbi en viss punkt—hårddiskar, till exempel, kan bara ha så många lager. Joniska teknologier skulle också fungera långsamt, men skulle vara mer skalbar.

Attraktionskraften hos dessa magneto-joniska filmer går dock långt utöver datalagring, sade NIST-fysikern Dustin Gilbert, på grund av det breda utbudet av egenskaper som kan ändras genom att flytta runt syrejonerna.

"Kontroll av syrefördelningar erbjuder en möjlighet att justera praktiskt taget alla egenskaper hos ett material:magnetiska, strukturell, optisk, mekanisk eller kemisk, för att nämna några, " sa Gilbert. "Så i vid bemärkelse, du kan föreställa dig hur många enheter som helst där vi lägger på en spänning och helt ändrar deras funktionella beteende. En möjlighet skulle vara en fönsterbeläggning som ändras från ogenomskinlig till spegelvänd eller transparent, så att du kunde släppa in solljus med en knapptryckning."

Trots deras bredare potential, det mesta av forskningen som hittills har utförts på magnetojonik har handlat om extremt tunna filmer med bara några atomlager tjocka. NIST-teamet satte sig för att utforska beteendet hos de betydligt tjockare filmerna som kan vara avgörande för kommersiella tillämpningar.

Deras forskning, utförd med neutronreflektometri vid NIST Center for Neutron Research, visade ett antal rön som var användbara för branschens framtid. Mindre partiklar, till exempel, tenderar att skapa bättre magneto-joniska filmer, eftersom det finns fler sprickor genom vilka syrejonerna kan färdas. Också, att ändra den kemiska sammansättningen och kristallstrukturen hos partiklarna och lagren förändrar filmens egenskaper dramatiskt, vilket innebär att partikelteknik kommer att vara ett stort problem för tillverkarna.

Filmernas egenskaper förändras också efter att syrejonerna gör några rundor genom lagren, väcker frågor om hur länge en enhet baserad på magnetojonik skulle kunna hålla.

"Vi måste kunna byta dessa saker fram och tillbaka ett stort antal gånger, ", sa Gilbert. "Deras hållbarhet och hastighet förbättras snabbt, men det finns fortfarande en väg att gå. Genom att bättre förstå syrerörelser i dessa enheter, vårt arbete borde hjälpa mycket med det. Vi har knäckt den underliggande fysiken för dessa filmers magnetiska egenskaper, som borde upplysa ingenjörer om hur de kan använda dem."