I ricercatori scoprono un nuovo materiale per la memoria magnetica controllata otticamente.

9 agosto 2024

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presso l'Università di Chicago

I ricercatori presso la Scuola di Ingegneria Molecolare dell'Università di Chicago (PME) hanno fatto progressi inaspettati nello sviluppo di una nuova memoria ottica che può memorizzare e accedere rapidamente ed efficientemente ai dati computazionali. Studiando un materiale complesso composto di manganese, bismuto e tellurio (MnBi2Te4), i ricercatori hanno realizzato che le proprietà magnetiche del materiale cambiano rapidamente e facilmente in risposta alla luce. Ciò significa che un laser potrebbe essere utilizzato per codificare informazioni all'interno degli stati magnetici di MnBi2Te4.

'Questo sottolinea davvero come la scienza fondamentale possa permettere nuovi modi di pensare direttamente alle applicazioni ingegneristiche,' ha detto Shuolong Yang, professore assistente di ingegneria molecolare e autore principale del nuovo lavoro. 'Abbiamo iniziato con la motivazione di comprendere i dettagli molecolari di questo materiale e ci siamo resi conto che ha proprietà precedentemente non scoperte che lo rendono molto utile.'

In un articolo pubblicato su Science Advances, Yang e colleghi hanno mostrato come gli elettroni in MnBi2Te4 competono tra due stati opposti - uno stato topologico utile per codificare informazioni quantistiche e uno stato sensibile alla luce utile per lo stoccaggio ottico.

In passato, MnBi2Te4 è stato studiato per la sua promessa come isolante topologico magnetico (MTI), un materiale che si comporta come un isolante all'interno ma conduce l'elettricità sulle sue superfici esterne. Per un MTI ideale nel limite 2D, emerge un fenomeno quantistico in cui una corrente elettrica fluisce in un flusso bidimensionale lungo i suoi bordi. Questi cosiddetti 'autostrade per elettroni' hanno il potenziale per codificare e trasportare dati quantistici.

Mentre gli scienziati hanno previsto che MnBi2Te4 dovrebbe essere in grado di ospitare tali autostrade per elettroni, il materiale è stato difficile da manipolare sperimentalmente.

'Il nostro obiettivo iniziale era capire perché è stato così difficile ottenere queste proprietà topologiche in MnBi2Te4,' ha detto Yang. 'Perché la fisica prevista non c'è?'

Per rispondere a questa domanda, il gruppo di Yang si è rivolto a metodi spettroscopici all'avanguardia che consentono di visualizzare il comportamento degli elettroni all'interno di MnBi2Te4 in tempo reale su scale temporali ultra veloci. Hanno utilizzato la spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo e nell'angolo sviluppata nel laboratorio di Yang, e hanno collaborato con il gruppo di Xiao-Xiao Zhang presso l'Università della Florida per eseguire misurazioni dell'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE) a risoluzione temporale, che consente l'osservazione del magnetismo.

'Questa combinazione di tecniche ci ha fornito informazioni dirette non solo su come gli elettroni si muovevano, ma su come le loro proprietà erano accoppiate alla luce,' ha spiegato Yang.

Quando i ricercatori hanno analizzato i risultati della loro spettroscopia, è emerso chiaro perché MnBi2Te4 non si comportasse come un buon materiale topologico. C'era uno stato elettronico quasi-2D, che stava competendo con lo stato topologico per gli elettroni.

'Ci sono elettroni di superficie completamente diversi che sostituiscono i precedenti elettroni di superficie topologica,' ha detto Yang. 'Ma si è scoperto che questo stato quasi-2D ha effettivamente una proprietà diversa e molto utile.'

Il secondo stato elettronico aveva un accoppiamento stretto tra il magnetismo e i fotoni esterni di luce - non utile per dati quantistici sensibili ma requisiti esatti per una memoria ottica efficiente.

Per esplorare ulteriormente questa potenziale applicazione di MnBi2Te4, il gruppo di Yang sta pianificando esperimenti in cui useranno un laser per manipolare le proprietà del materiale. Credono che una memoria ottica che utilizza MnBi2Te4 potrebbe essere efficiente di ordini di grandezza superiore rispetto ai dispositivi di memoria elettronica tipici di oggi.

Yang ha anche sottolineato che una migliore comprensione dell'equilibrio tra i due stati elettronici sulla superficie di MnBi2Te4 potrebbe potenziare la sua capacità di agire come un MTI e essere utile nello stoccaggio di dati quantistici.

'Forse potremmo imparare a regolare l'equilibrio tra lo stato originale, teoricamente previsto e questo nuovo stato elettronico quasi-2D,' ha detto. 'Potrebbe essere possibile controllando le nostre condizioni di sintesi.'

Maggiori informazioni: 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

Informazioni sulla rivista: Science Advances

Fornito da Università di Chicago