Les chercheurs découvrent un nouveau matériau pour la mémoire magnétique contrôlée optiquement

9 août 2024

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par l'Université de Chicago

Des chercheurs de l'École d'ingénierie moléculaire de l'Université de Chicago Pritzker (PME) ont fait des progrès inattendus vers le développement d'une nouvelle mémoire optique capable de stocker et d'accéder rapidement et de manière éco-énergétique aux données de calcul. En étudiant un matériau complexe composé de manganèse, de bismuth et de tellure (MnBi2Te4), les chercheurs ont réalisé que les propriétés magnétiques du matériau changeaient rapidement et facilement en réponse à la lumière. Cela signifie qu'un laser pourrait être utilisé pour encoder des informations dans les états magnétiques du MnBi2Te4.

"Cela souligne vraiment comment la science fondamentale peut permettre de penser de manière très directe à de nouvelles applications d'ingénierie," a déclaré Shuolong Yang, professeur adjoint en ingénierie moléculaire et auteur principal de la nouvelle étude. "Nous avons commencé avec la motivation de comprendre les détails moléculaires de ce matériau et nous nous sommes rendu compte qu'il possédait des propriétés auparavant non découvertes qui le rendent très utile."

Dans un article publié dans Science Advances, Yang et ses collègues ont montré comment les électrons dans le MnBi2Te4 se disputaient entre deux états opposés - un état topologique utile pour l'encodage des informations quantiques et un état sensible à la lumière utile pour le stockage optique.

Dans le passé, le MnBi2Te4 a été étudié pour son potentiel en tant qu'isolant topologique magnétique (IM), un matériau qui se comporte comme un isolant à l'intérieur mais conduit l'électricité sur ses surfaces extérieures. Pour un IM idéal dans la limite 2D, un phénomène quantique émerge dans lequel un courant électrique circule en un flux bidimensionnel le long de ses bords. Ces prétendues "autoroutes électroniques" ont le potentiel d'encodage et de transport de données quantiques.

Alors que les scientifiques ont prédit que le MnBi2Te4 devrait être capable d'accueillir une telle autoroute électronique, le matériau s'est avéré difficile à manipuler expérimentalement.

"Notre objectif initial était de comprendre pourquoi il avait été si difficile d'obtenir ces propriétés topologiques dans le MnBi2Te4," a déclaré Yang. "Pourquoi la physique prédite n'est-elle pas là ?"

Pour répondre à cette question, le groupe de Yang s'est tourné vers des méthodes de spectroscopie de pointe leur permettant de visualiser le comportement des électrons au sein du MnBi2Te4 en temps réel à des échelles de temps ultra-rapides. Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission temporelle et angulaire développée dans le laboratoire Yang, et ont collaboré avec le groupe de Xiao-Xiao Zhang à l'Université de Floride pour réaliser des mesures d'effet Kerr magnéto-optique résolues dans le temps, qui permettent l'observation du magnétisme.

"Cette combinaison de techniques nous a fourni des informations directes non seulement sur la manière dont les électrons se déplaçaient, mais aussi sur la manière dont leurs propriétés étaient couplées à la lumière", a expliqué Yang.

Lorsque les chercheurs ont analysé leurs résultats de spectroscopie, il était clair que le MnBi2Te4 n'agissait pas comme un bon matériau topologique. Il y avait un état électronique quasi-2D, qui rivalisait avec l'état topologique pour les électrons.

"Il y a un tout autre type d'électrons de surface qui remplacent les électrons de surface topologiques originaux," a dit Yang. "Mais il s'avère que cet état quasi-2D a en fait une propriété différente et très utile."

Le second état électronique présentait un couplage étroit entre le magnétisme et les photons de lumière externes, ce qui n'est pas utile pour les données quantiques sensibles mais qui répond exactement aux exigences d'une mémoire optique efficace.

Pour explorer davantage cette application potentielle du MnBi2Te4, le groupe de Yang prévoit désormais des expériences dans lesquelles ils utiliseront un laser pour manipuler les propriétés du matériau. Ils pensent qu'une mémoire optique utilisant le MnBi2Te4 pourrait être des ordres de grandeur plus efficace que les dispositifs de mémoire électronique typiques d'aujourd'hui.

Yang a également souligné qu'une meilleure compréhension de l'équilibre entre les deux états électroniques à la surface du MnBi2Te4 pourrait renforcer sa capacité à agir en tant qu'IM et à être utile dans le stockage de données quantiques.

"Peut-être pourrions-nous apprendre à ajuster l'équilibre entre l'état théoriquement prédit original et ce nouvel état électronique quasi-2D," a-t-il déclaré. "Cela pourrait être possible en contrôlant nos conditions de synthèse."

Plus d'informations: Khanh Duy Nguyen et al, Distinguishing surface and bulk electromagnetism via their dynamics in an intrinsic magnetic topological insulator, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn5696

Informations sur le journal: Science Advances

Fourni par Université de Chicago