Naukowcy odkrywają nowy materiał do optycznie kontrolowanej pamięci magnetycznej

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. Podczas badania złożonego materiału składającego się z manganu, bizmutu i telluru (MnBi₂Te₄) badacze zdali sobie sprawę, że właściwości magnetyczne materiału zmieniają się szybko i łatwo w odpowiedzi na światło. Oznacza to, że do kodowania informacji w stanach magnetycznych MnBi można zastosować laser₂Te₄.

„To naprawdę podkreśla, jak nauki podstawowe mogą umożliwić nowe sposoby myślenia o zastosowaniach inżynierskich w bardzo bezpośredni sposób” – powiedział Shuolong Yang, adiunkt inżynierii molekularnej i główny autor nowej pracy. „Zaczęliśmy od motywacji do zrozumienia szczegółów molekularnych tego materiału, a ostatecznie zdaliśmy sobie sprawę, że ma on wcześniej nieodkryte właściwości, które czynią go bardzo użytecznym”.

W artykule opublikowanym w 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.

Rozwiązywanie zagadki topologicznej

W przeszłości MnBi₂Te₄ badano pod kątem jego przydatności jako magnetyczny izolator topologiczny (MTI), materiał, 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.

Chociaż naukowcy przewidywali, że MnBi₂Te₄ powinien być w stanie pomieścić taką autostradę elektronową, materiał był trudny w obróbce eksperymentalnej.

„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 na Uniwersytecie Florydy, aby wykonać magnetooptyczne pomiary efektu Kerra z rozdzielczością czasową (MOKE), które umożliwiają 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.

Dwa przeciwstawne stany

Kiedy naukowcy przeanalizowali wyniki spektroskopii, stało się jasne, dlaczego MnBi₂Te₄ nie zachowywał się jak 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 dla wydajnej pamięci optycznej.

Dalsze badanie tego potencjalnego zastosowania MnBi₂Te₄grupa Yang planuje obecnie eksperymenty, w których za pomocą lasera będzie można manipulować właściwościami materiału. Uważają, że pamięć optyczna wykorzystuje MnBi₂Te₄ mogą być o rząd wielkości bardziej wydajne niż dzisiejsze typowe elektroniczne urządzenia pamięci.

Yang zwrócił także uwagę na lepsze zrozumienie równowagi pomiędzy dwoma stanami elektronowymi na powierzchni MnBi₂Te₄ mógłby zwiększyć jego zdolność do pełnienia funkcji MTI i być przydatny w kwantowym przechowywaniu danych.

„Być może moglibyśmy nauczyć się dostrajać równowagę pomiędzy pierwotnym, teoretycznie przewidywanym stanem a nowym, quasi-2D stanem elektronicznym” – powiedział. „Może to być możliwe poprzez kontrolowanie warunków syntezy”.