Badacze odkrywają nowy materiał do pamięci magnetycznej kontrolowanej optycznie

9 sierpnia 2024

Artykuł ten został sprawdzony zgodnie z procesem redakcyjnym i politykami firmy Science X. Redaktorzy podkreślili następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:

• zweryfikowane faktami
• publikacja recenzowana przez rówieśników
• zaufane źródło
• skorygowane
• przez 
  University of Chicago

Badacze z Uniwersytetu Chicagowskiego Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dokonali nieoczekiwanych postępów w kierunku opracowania nowej pamięci optycznej, która może szybko i energooszczędnie przechowywać oraz uzyskiwać dostęp do danych obliczeniowych. Podczas badania skomplikowanego materiału złożonego z manganu, bizmutu i telluru (MnBi2Te4), badacze zauważyli, że właściwości magnetyczne materiału zmieniały się szybko i łatwo w odpowiedzi na światło. Oznacza to, że laser mógłby być wykorzystany do zakodowania informacji w stanach magnetycznych MnBi2Te4.

'To naprawdę podkreśla, w jaki sposób podstawowa nauka może umożliwić nowe sposoby myślenia o zastosowaniach inżynieryjnych bardzo bezpośrednio,' powiedział Shuolong Yang, profesor nadzwyczajny inżynierii molekularnej i starszy autor nowej pracy. 'Zaczęliśmy od motywacji do zrozumienia szczegółów molekularnych tego materiału, a skończyliśmy na odkryciu, że ma on wcześniej niewykryte właściwości, które czynią go bardzo przydatnym.'

W artykule opublikowanym w Science Advances, Yang i jego koledzy pokazali, jak elektrony w MnBi2Te4 konkurują między dwoma przeciwstawnymi stanami, stanem topologicznym przydatnym do zakodowania informacji kwantowych oraz stanem wrażliwym na światło przydatnym do przechowywania optycznego.

W przeszłości MnBi2Te4 był badany ze względu na jego obietnice jako magnetyczny izolator topologiczny (MTI), materiał zachowujący się jak izolator w swojej wnętrznej części, ale przewodzący prąd na zewnętrznych powierzchniach. Dla idealnego izolatora topologicznego w granicy 2D, pojawia się zjawisko kwantowe, w którym prąd elektryczny płynie w dwuwymiarowym strumieniu wzdłuż jego krawędzi. Tak zwane 'autostrady elektronowe' mają potencjał do zakodowania i przenoszenia danych kwantowych.

Podczas gdy naukowcy przewidywali, że MnBi2Te4 powinien móc być gospodarzem takiej autostrady elektronowej, materiał był trudny do eksperymentalnej pracy.

'Naszym pierwotnym celem było zrozumienie, dlaczego tak trudno było uzyskać te właściwości topologiczne w MnBi2Te4,' powiedział Yang. 'Dlaczego fizyka przewidywana nie jest obecna?'

Aby odpowiedzieć na to pytanie, grupa Yanga zwróciła się do nowoczesnych metod spektroskopii, które pozwoliły im w czasie rzeczywistym obrazować zachowanie elektronów wewnątrz MnBi2Te4 na ultra-szybkich skalach czasowych. Wykorzystali opracowaną w laboratorium Yanga spektroskopię fotoemisyjną czasowo-kątową i współpracowali z zespołem Xiao-Xiao Zhang z Uniwersytetu Florydy, aby przeprowadzić pomiar czasowo-rozdzielczego efektu Kerr'a związanego z magnetyzmem (MOKE), co pozwoliło na obserwację magnetyzmu.

'To połączenie technik dało nam bezpośrednie informacje nie tylko o tym, jak elektrony się poruszały, ale o tym, jak ich właściwości były sprzężone z światłem,' wyjaśnił Yang.

Gdy badacze analizowali wyniki ze spektroskopii, było jasne dlaczego MnBi2Te4 nie zachowywał się jako dobry materiał topologiczny. Istniał kwazi-2D stan elektroniczny, który konkurował z topologicznym stanem o elektrony.

'Istnieje zupełnie inny rodzaj elektronów powierzchniowych, które zastępują oryginalne elektrony powierzchni topologicznej,' powiedział Yang. 'Okazuje się jednak, że ten stan kwazi-2D ma właściwość zupełnie inną, a bardzo przydatną.'

Drugi stan elektroniczny miał istotne sprzężenie między magnetyzmem a zewnętrznymi fotonami światła—nieprzydatne dla wrażliwych danych kwantowych, ale dokładne wymagania dla wydajnej pamięci optycznej.

Aby dalej badać tę potencjalną aplikację MnBi2Te4, grupa Yanga planuje teraz eksperymenty, podczas których wykorzystają laser do manipulowania właściwościami materiału. Wierzą, że pamięć optyczna z użyciem MnBi2Te4 może być o rząd wielkości bardziej wydajna niż dzisiejsze typowe urządzenia pamięci elektronicznej.

Yang zwrócił również uwagę, że lepsze zrozumienie równowagi między dwoma stanami elektronów na powierzchni MnBi2Te4 mogłoby zwiększyć jego zdolność do działania jako MTI i być przydatne w przechowywaniu danych kwantowych.

'Być może nauczylibyśmy się regulować równowagę między pierwotnie, teoretycznie przewidywanym stanem, a tym nowym, kwazi-2D stanem elektronicznym,' powiedział. 'Może to być możliwe poprzez kontrolowanie warunków naszej syntezy.'

Więcej informacji: Khanh Duy Nguyen et al, Rozróżnianie elektromagnetyzmu powierzchniowego i objętościowego poprzez ich dynamikę w intrinsycznym magnetycznym izolatorze topologicznym, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn5696

Informacje o czasopiśmie: Science Advances

Udostępnione przez University of Chicago