Onderzoekers hebben een nieuw materiaal ontdekt voor optisch-gestuurde magnetische geheugens.

9 augustus 2024

Dit artikel is beoordeeld volgens het redactionele proces en beleid van Science X. Redacteuren hebben de volgende eigenschappen benadrukt bij het waarborgen van de geloofwaardigheid van de inhoud:

• feiten gecheckt
• peer-reviewed publicatie
• betrouwbare bron
• nagelezen

door Universiteit van Chicago

Onderzoekers aan de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago hebben onverwachte vooruitgang geboekt bij het ontwikkelen van een nieuw optisch geheugen dat snel en energiezuinig computationele gegevens kan opslaan en benaderen. Tijdens het bestuderen van een complex materiaal samengesteld uit mangaan, bismut en tellurium (MnBi2Te4), realiseerden de onderzoekers zich dat de magnetische eigenschappen van het materiaal zich snel en gemakkelijk aanpasten aan licht. Dit betekent dat een laser kan worden gebruikt om informatie te coderen binnen de magnetische toestanden van MnBi2Te4.

'Dit benadrukt echt hoe fundamentele wetenschap nieuwe manieren kan mogelijk maken om zeer direct na te denken over technische toepassingen,' zei Shuolong Yang, universitair hoofddocent moleculaire techniek en senior auteur van het nieuwe werk. 'We begonnen met de motivatie om de moleculaire details van dit materiaal te begrijpen en beseften uiteindelijk dat het over onontdekte eigenschappen beschikt die het zeer bruikbaar maken.'

In een publicatie in Science Advances lieten Yang en collega's zien hoe de elektronen in MnBi2Te4 concurreren tussen twee tegengestelde toestanden—een topologische toestand die nuttig is voor het coderen van kwantuminformatie en een lichtgevoelige toestand die nuttig is voor optische opslag.

In het verleden is MnBi2Te4 bestudeerd vanwege de belofte als magnetische topologische isolator (MTI), een materiaal dat zich gedraagt als een isolator aan de binnenkant maar elektriciteit geleidt aan de buitenoppervlakken. Voor een ideale MTI in de 2D-limiet ontstaat een kwantumverschijnsel waarbij een elektrische stroom zich in een tweedimensionale stroom langs de randen verplaatst. Deze zogenaamde 'elektronen-snelwegen' hebben het potentieel om kwantumgegevens te coderen en te dragen.

Hoewel wetenschappers voorspelden dat MnBi2Te4 in staat zou moeten zijn om zo'n elektronen-snelweg te herbergen, was het materiaal experimenteel moeilijk te gebruiken.

'Ons initiële doel was om te begrijpen waarom het zo moeilijk was om deze topologische eigenschappen in MnBi2Te4 te krijgen,' zei Yang. 'Waarom is de voorspelde natuurkunde niet aanwezig?'

Om die vraag te beantwoorden, keerde de groep van Yang zich tot geavanceerde spectroscopiemethoden waarmee ze het gedrag van de elektronen in MnBi2Te4 in realtime konden visualiseren op ultrasnelle tijdschalen. Ze gebruikten tijd- en hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie ontwikkeld in het lab van Yang, en werkten samen met de groep van Xiao-Xiao Zhang van de Universiteit van Florida om tijdopgeloste magneto-optische Kerr-effect (MOKE) metingen uit te voeren, wat het observeren van magnetisme mogelijk maakt.

'Deze combinatie van technieken gaf ons directe informatie over niet alleen hoe elektronen zich voortbewogen, maar hoe hun eigenschappen waren gekoppeld aan licht,' legde Yang uit.

Toen de onderzoekers hun spectroscopieresultaten analyseerden, was het duidelijk waarom MnBi2Te4 niet dienst deed als goed topologisch materiaal. Er was een quasi-2D elektronische toestand, die concurreerde met de topologische toestand voor elektronen.

'Er zijn volledig verschillende typen oppervlakte-elektronen die de originele topologische oppervlakte-elektronen vervangen,' zei Yang. 'Maar het blijkt dat deze quasi-2D toestand eigenlijk een ander, zeer nuttig eigenschap heeft.'

De tweede elektronische toestand had een nauwe koppeling tussen magnetisme en externe fotonen van licht—niet nuttig voor gevoelige kwantumgegevens maar precies de vereisten voor een efficiënt optisch geheugen.

Om deze potentiële toepassing van MnBi2Te4 verder te verkennen, plant de groep van Yang nu experimenten waarbij ze een laser gebruiken om de eigenschappen van het materiaal te manipuleren. Ze geloven dat een optisch geheugen met gebruik van MnBi2Te4 orders van grootte efficiënter kan zijn dan de typische elektronische geheugendevices van vandaag.

Yang wees er ook op dat een beter begrip van het evenwicht tussen de twee elektrontoestanden aan het oppervlak van MnBi2Te4 zijn vermogen om te functioneren als MTI zou kunnen versterken en nuttig zijn bij de opslag van kwantumgegevens.

'Misschien kunnen we leren om het evenwicht tussen de oorspronkelijke, theoretisch voorspelde toestand en deze nieuwe quasi-2D elektronische toestand aan te passen,' zei hij. 'Dit zou mogelijk kunnen zijn door onze synthesevoorwaarden te controleren.'