Investigadores descubren un nuevo material para memoria magnética controlada ópticamente.

9 de agosto de 2024

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por Universidad de Chicago

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago han avanzado inesperadamente hacia el desarrollo de una nueva memoria óptica que puede almacenar y acceder datos computacionales de manera rápida y eficiente en términos energéticos. Mientras estudiaban un material complejo compuesto por manganeso, bismuto y telurio (MnBi2Te4), los investigadores se dieron cuenta de que las propiedades magnéticas del material cambiaban rápidamente y con facilidad en respuesta a la luz. Esto significa que un láser podría ser utilizado para codificar información dentro de los estados magnéticos de MnBi2Te4.

"Esto subraya realmente cómo la ciencia fundamental puede permitir nuevas formas de pensar sobre aplicaciones de ingeniería de manera muy directa", dijo Shuolong Yang, profesor asistente de ingeniería molecular y autor principal del nuevo trabajo. "Comenzamos con la motivación de entender los detalles moleculares de este material y terminamos dándonos cuenta de que tenía propiedades previamente no descubiertas que lo hacen muy útil."

En un artículo publicado en Science Advances, Yang y sus colegas mostraron cómo los electrones en MnBi2Te4 compiten entre dos estados opuestos: un estado topológico útil para codificar información cuántica y un estado sensible a la luz útil para el almacenamiento óptico.

En el pasado, MnBi2Te4 ha sido estudiado por su promesa como aislador topológico magnético (MTI), un material que se comporta como un aislante en su interior pero conduce electricidad en sus superficies externas. Para un MTI ideal en el límite 2D, emerge un fenómeno cuántico en el cual una corriente eléctrica fluye en un flujo bidimensional a lo largo de sus bordes. Estas llamadas "autopistas electrónicas" tienen el potencial de codificar y transportar datos cuánticos.

Aunque los científicos han predicho que MnBi2Te4 debería ser capaz de albergar una autopista electrónica, el material ha sido difícil de trabajar experimentalmente.

"Nuestro objetivo inicial era entender por qué había sido tan difícil obtener estas propiedades topológicas en MnBi2Te4", dijo Yang. "¿Por qué la física predicha no estaba presente?"

Para responder esa pregunta, el grupo de Yang recurrió a métodos de espectroscopía de vanguardia que les permitieron visualizar el comportamiento de los electrones dentro de MnBi2Te4 en tiempo real en escalas de tiempo ultrarrápidas. Utilizaron espectroscopía de fotoemisión resuelta en el tiempo y el ángulo desarrollada en el laboratorio de Yang, y colaboraron con el grupo de Xiao-Xiao Zhang en la Universidad de Florida para realizar mediciones de efecto Kerr magneto-óptico (MOKE) resueltas en el tiempo, lo que permite la observación del magnetismo.

"Esta combinación de técnicas nos proporcionó información directa no solo sobre cómo se movían los electrones, sino también sobre cómo sus propiedades estaban acopladas a la luz", explicó Yang.

Cuando los investigadores analizaron sus resultados de espectroscopía, quedó claro por qué MnBi2Te4 no actuaba como un buen material topológico. Existía un estado electrónico cuasi-2D que competía con el estado topológico por los electrones.

"Hay electrones de superficie completamente diferentes que reemplazan a los electrones de superficie topológicos originales", dijo Yang. "Pero resulta que este estado cuasi-2D en realidad tiene una propiedad diferente y muy útil."

El segundo estado electrónico tenía un acoplamiento estrecho entre el magnetismo y los fotones externos de luz, no útil para datos cuánticos sensibles pero con requisitos exactos para una memoria óptica eficiente.

Para explorar más esta posible aplicación de MnBi2Te4, el grupo de Yang está planeando experimentos en los que utilicen un láser para manipular las propiedades del material. Creen que una memoria óptica utilizando MnBi2Te4 podría ser órdenes de magnitud más eficiente que los dispositivos de memoria electrónica típicos de hoy en día.

Yang también señaló que una mejor comprensión del equilibrio entre los dos estados electrónicos en la superficie de MnBi2Te4 podría aumentar su capacidad para actuar como un MTI y ser útil en el almacenamiento de datos cuánticos.

"Quizás podríamos aprender a ajustar el equilibrio entre el estado original, teóricamente predicho, y este nuevo estado electrónico cuasi-2D", dijo. "Esto podría ser posible controlando nuestras condiciones de síntesis."