Forscher entdecken neues Material für optisch gesteuerten magnetischen Speicher

9. August 2024

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von der University of Chicago

Forscher an der Universität Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) haben überraschende Fortschritte bei der Entwicklung eines neuen optischen Speichers erzielt, der Daten schnell und energieeffizient speichern und abrufen kann. Beim Untersuchen eines komplexen Materials aus Mangan, Bismut und Tellur (MnBi2Te4) stellten die Forscher fest, dass die magnetischen Eigenschaften des Materials schnell und einfach auf Licht reagierten. Dies bedeutet, dass ein Laser verwendet werden könnte, um Informationen in den magnetischen Zuständen von MnBi2Te4 zu codieren.

"Dies zeigt wirklich, wie grundlegende Wissenschaft neue Denkweisen über technische Anwendungen sehr direkt ermöglichen kann", sagte Shuolong Yang, Assistenzprofessor für Molekulartechnik und Hauptautor der neuen Arbeit. "Wir haben mit der Motivation begonnen, die molekularen Details dieses Materials zu verstehen, und festgestellt, dass es bisher unentdeckte Eigenschaften aufweist, die es sehr nützlich machen."

In einem in Science Advances veröffentlichten Artikel zeigten Yang und Kollegen, wie die Elektronen in MnBi2Te4 zwischen zwei entgegengesetzten Zuständen konkurrieren - ein topologischer Zustand, der für die Codierung von Quanteninformationen nützlich ist, und ein lichtempfindlicher Zustand, der für die optische Speicherung nützlich ist.

In der Vergangenheit wurde MnBi2Te4 aufgrund seiner vielversprechenden Eigenschaften als magnetischer topologischer Isolator (MTI) untersucht, einem Material, das sich im Inneren wie ein Isolator verhält, aber an seinen äußeren Oberflächen Strom leitet. Für einen idealen MTI im 2D-Bereich entsteht ein Quantenphänomen, bei dem ein elektrischer Strom in einem zweidimensionalen Strom entlang seiner Kanten fließt. Diese sogenannten "Elektronenautobahnen" haben das Potenzial, Quantendaten zu codieren und zu transportieren.

Obwohl Wissenschaftler vorhergesagt haben, dass MnBi2Te4 eine solche Elektronenautobahn beherbergen sollte, war das Material experimentell schwierig zu handhaben.

"Unser ursprüngliches Ziel war es, zu verstehen, warum es so schwer war, diese topologischen Eigenschaften in MnBi2Te4 zu erreichen", sagte Yang. "Warum sind die vorhergesagten physikalischen Eigenschaften nicht vorhanden?"

Um diese Frage zu beantworten, griff die Gruppe von Yang auf hochmoderne Spektroskopiemethoden zurück, die es ihnen ermöglichten, das Verhalten der Elektronen innerhalb von MnBi2Te4 in Echtzeit auf ultraschnellen Zeitskalen zu visualisieren. Sie verwendeten die von der Yang-Gruppe entwickelte spektrale Photoemissionsspektroskopie mit Zeit- und Winkelauflösung und arbeiteten mit der Gruppe von Xiao-Xiao Zhang an der Universität Florida zusammen, um zeitaufgelöste magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE) Messungen durchzuführen, die es ermöglichen, Magnetismus zu beobachten.

"Diese Kombination von Techniken lieferte uns direkte Informationen darüber, wie sich Elektronen bewegten, aber auch darüber, wie ihre Eigenschaften mit Licht gekoppelt waren", erklärte Yang.

Als die Forscher ihre Spektroskopieergebnisse analysierten, wurde deutlich, warum MnBi2Te4 nicht als gutes topologisches Material agierte. Es gab einen quasi-2D-elektronischen Zustand, der mit dem topologischen Zustand um Elektronen konkurrierte.

"Es gibt eine völlig andere Art von Oberflächenelektronen, die die ursprünglichen topologischen Oberflächenelektronen ersetzen", sagte Yang. "Aber es stellte sich heraus, dass dieser quasi-2D-Zustand tatsächlich eine andere, sehr nützliche Eigenschaft hat."

Der zweite elektronische Zustand wies eine enge Kopplung zwischen Magnetismus und externen Photonen von Licht auf - nicht nützlich für empfindliche Quantendaten, aber genau die Anforderungen für einen effizienten optischen Speicher.

Um diese potenzielle Anwendung von MnBi2Te4 weiter zu erforschen, plant die Gruppe von Yang nun Experimente, bei denen sie einen Laser verwenden, um die Eigenschaften des Materials zu manipulieren. Sie glauben, dass ein optischer Speicher, der MnBi2Te4 verwendet, um Größenordnungen effizienter sein könnte als die typischen elektronischen Speichergeräte von heute.

Yang wies auch darauf hin, dass ein besseres Verständnis des Gleichgewichts zwischen den beiden Elektronenzuständen auf der Oberfläche von MnBi2Te4 seine Fähigkeit, als MTI zu agieren und bei der Speicherung von Quantendaten nützlich zu sein, verbessern könnte.

"Vielleicht könnten wir lernen, das Gleichgewicht zwischen dem ursprünglichen, theoretisch vorhergesagten Zustand und diesem neuen quasi-2D-elektronischen Zustand zu beeinflussen", sagte er. "Dies könnte durch die Kontrolle unserer Synthesebedingungen möglich sein."