Naukowcy z Uniwersytet w Chicago poczynili postępy w opracowywaniu pamięci optycznej wykorzystującej MnBi2Te4, magnetyczny izolator topologiczny o właściwościach szybko reagujących na światło.
To odkrycie może zrewolucjonizować przechowywanie danych, czyniąc je szybszym i bardziej energooszczędnym. Materiał wykazuje również wyjątkową dwoistość stanów elektronicznych, balansując pomiędzy stanem kodowania kwantowego a stanem przechowywania wrażliwym na światło, co stanowi obiecujący znaczący postęp zarówno w zastosowaniach danych kwantowych, jak i optycznych.
Naukowcy ze Szkoły Inżynierii Molekularnej (PME) Uniwersytetu w Chicago poczynili nieoczekiwany postęp w opracowaniu nowej pamięci optycznej, która może szybko i energooszczędnie przechowywać dane obliczeniowe i uzyskiwać do nich dostęp. Badając złożony materiał składający się z manganu, bizmutu i telluru (MnBi2Te4), naukowcy zdali sobie sprawę, że właściwości magnetyczne materiału zmieniają się szybko i łatwo w reakcji na światło. Oznacza to, że do kodowania informacji w stanach magnetycznych MnBi2Te4 można zastosować laser.
„To naprawdę podkreśla, jak nauki podstawowe mogą bardzo bezpośrednio umożliwić nowe sposoby myślenia o zastosowaniach inżynierskich” – powiedział Shuolong Yang, adiunkt inżynierii molekularnej i główny autor nowej pracy. „Zaczęliśmy od motywacji, aby zrozumieć szczegóły molekularne tego materiału, a ostatecznie zdaliśmy sobie sprawę, że ma on wcześniej nieodkryte właściwości, które czynią go bardzo użytecznym”.
W artykule opublikowanym 9 sierpnia w czasopiśmie Postęp naukiYang i współpracownicy pokazali, jak elektrony w MnBi2Te4 konkurują między dwoma przeciwstawnymi stanami – stanem topologicznym przydatnym do kodowania informacji kwantowej i stanem światłoczułym przydatnym do przechowywania optycznego.
„To naprawdę podkreśla, jak nauki podstawowe mogą umożliwić nowe sposoby bardzo bezpośredniego myślenia o zastosowaniach inżynierskich”.
Asystent Prof. Shuolong Yang
Rozwiązywanie zagadki topologicznej
W przeszłości badano, czy MnBi2Te4 może okazać się magnetycznym izolatorem topologicznym (MTI), materiałem, który wewnątrz zachowuje się jak izolator, ale przewodzi prąd na zewnętrznych powierzchniach. Dla idealnego MTI w granicy 2D pojawia się zjawisko kwantowe, w którym prąd elektryczny płynie dwuwymiarowym strumieniem wzdłuż jego krawędzi. Te tak zwane „autostrady elektronowe” mają potencjał do kodowania i przenoszenia danych kwantowych.
Choć naukowcy przewidywali, że MnBi2Te4 powinien być w stanie pomieścić taką autostradę elektronową, eksperymentalnie trudno było pracować z tym materiałem.
„Naszym początkowym celem było zrozumienie, dlaczego tak trudno było uzyskać te właściwości topologiczne w MnBi2Te4” – powiedział Yang. „Dlaczego nie ma przewidywanej fizyki?”
Aby odpowiedzieć na to pytanie, grupa Yanga zwróciła się ku najnowocześniejszym metodom spektroskopii, które pozwoliły im wizualizować zachowanie elektronów w MnBi2Te4 w czasie rzeczywistym w ultraszybkich skalach czasowych. Wykorzystali spektroskopię fotoemisyjną z rozdzielczością czasową i kątową opracowaną w laboratorium Yang i współpracowali z grupą Xiao-Xiao Zhanga w Uniwersytet Florydy do wykonywania czasowo rozdzielczych pomiarów magnetooptycznego efektu Kerra (MOKE), który umożliwia obserwację magnetyzmu.
„To połączenie technik dało nam bezpośrednie informacje nie tylko o tym, jak poruszają się elektrony, ale także o tym, jak ich właściwości są powiązane ze światłem” – wyjaśnił Yang.
Optymalizacja materiałów dla przyszłych technologii
Kiedy naukowcy przeanalizowali wyniki spektroskopii, stało się jasne, dlaczego MnBi2Te4 nie sprawdza się jako dobry materiał topologiczny. Istniał quasi-2D stan elektronowy, który konkurował ze stanem topologicznym o elektrony.
„Istnieje zupełnie inny typ elektronów powierzchniowych, które zastępują oryginalne topologiczne elektrony powierzchniowe” – powiedział Yang. „Okazuje się jednak, że ten stan quasi-2D w rzeczywistości ma inną, bardzo przydatną właściwość”.
Drugi stan elektroniczny charakteryzował się ścisłym powiązaniem między magnetyzmem a zewnętrznymi fotonami światła – nieprzydatny w przypadku wrażliwych danych kwantowych, ale spełniał dokładne wymagania dotyczące wydajnej pamięci optycznej.
Aby dokładniej zbadać potencjalne zastosowanie MnBi2Te4, grupa Yang planuje obecnie eksperymenty, w których wykorzystają laser do manipulowania właściwościami materiału. Uważają, że pamięć optyczna wykorzystująca MnBi2Te4 może być o rząd wielkości bardziej wydajna niż dzisiejsze typowe elektroniczne urządzenia pamięci.
Yang zwrócił również uwagę, że lepsze zrozumienie równowagi między dwoma stanami elektronów na powierzchni MnBi2Te4 może zwiększyć jego zdolność do działania jako MTI i być przydatnym w kwantowym przechowywaniu danych.
„Być może moglibyśmy nauczyć się dostrajać równowagę między pierwotnym, teoretycznie przewidywanym stanem a nowym quasi-2D stanem elektronicznym” – powiedział. „Może to być możliwe poprzez kontrolowanie warunków syntezy”.
Odniesienie: „Rozróżnianie elektromagnetyzmu powierzchniowego i masowego poprzez ich dynamikę w wewnętrznym magnetycznym izolatorze topologicznym” autorstwa Khanh Duy Nguyen, Woojoo Lee, Jianchen Dang, Tongyao Wu, Gabriele Berruto, Chenhui Yan, Chi Ian Jess Ip, Haoran Lin, Qiang Gao, Seng Huat Lee, Binghai Yan, Chaoxing Liu, Zhiqiang Mao, Xiao-Xiao Zhang i Shuolong Yang, 9 sierpnia 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adn5696
Finansowanie: Praca ta była wspierana przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Narodową Fundację Nauki
