Forskare upptäcker nytt material för optiskt-styrd magnetiskt minne

9 augusti 2024

Den här artikeln har granskats enligt Science X's redaktionella process och policys. Redaktörer har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställt innehållets trovärdighet:

• faktagranskat
• peer-reviewed-publicering
• pålitlig källa
• korrekturläst

av University of Chicago

Forskare vid University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) har gjort oväntade framsteg mot att utveckla ett nytt optiskt minne som snabbt och energieffektivt kan lagra och komma åt beräkningsdata. Medan de studerade ett komplext material bestående av mangan, bismut och tellur (MnBi2Te4) insåg forskarna att materialets magnetiska egenskaper ändrades snabbt och enkelt som svar på ljus. Det innebär att en laser kunde användas för att koda information inom de magnetiska tillstånden hos MnBi2Te4.

'Detta understryker verkligen hur grundvetenskap kan möjliggöra nya sätt att tänka på ingenjörsapplikationer mycket direkt,' säger Shuolong Yang, biträdande professor i molekylärteknik och huvudförfattare till det nya arbetet. 'Vi började med motivationen att förstå de molekylära detaljerna hos detta material och insåg att det hade tidigare oupptäckta egenskaper som gör det mycket användbart.'

I en artikel publicerad i Science Advances visade Yang och kollegor hur elektronerna i MnBi2Te4 konkurrerar mellan två motstridiga tillstånd – ett topologiskt tillstånd som är användbart för att koda kvantinformation och ett ljuskänsligt tillstånd som är användbart för optisk lagring.

Tidigare har MnBi2Te4 studerats för sitt löfte som en magnetisk topologisk isolator (MTI), ett material som beter sig som en isolator på insidan men leder elektricitet på dess yttre ytor. För en ideal MTI i 2D-gränsen uppstår en kvantfenomen där en elektrisk ström flyter i en tvådimensionell ström längs dess kanter. Dessa så kallade 'elektronmotorvägar' har potential att koda och bära kvantdata.

Medan forskare har förutsagt att MnBi2Te4 borde kunna hysa en sådan elektronmotorväg, har materialet varit svårt att arbeta med experimentellt.

'Vårt ursprungliga mål var att förstå varför det har varit så svårt att få dessa topologiska egenskaper i MnBi2Te4,' säger Yang. 'Varför finns inte den förutsagda fysiken där?'

För att svara på den frågan vände sig Yangs grupp till toppmodern spektroskopimetoder som lät dem visualisera beteendet hos elektronerna inom MnBi2Te4 i realtid på ultrahastighetsskalor. De använde tid- och vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi som utvecklats i Yangs labb, och samarbetade med Xiao-Xiao Zhangs grupp vid University of Florida för att utföra tidupplöst magnetooptisk Kerr-effekts (MOKE) mätningar, vilket möjliggör observation av magnetism.

'Denna kombination av tekniker gav oss direkt information om inte bara hur elektronerna rörde sig, utan hur deras egenskaper var kopplade till ljus,' förklarade Yang.

När forskarna analyserade sina spektroskopiresultat var det tydligt varför MnBi2Te4 inte agerade som ett bra topologiskt material. Det fanns ett kvasi-2D elektroniskt tillstånd, som konkurrerade med det topologiska tillståndet om elektroner.

'Det finns en helt annan typ av ytelskelektroner som ersätter de ursprungliga topologiska ytelskelelektronerna,' sa Yang. 'Men det visade sig att detta kvasi-2D-tillstånd faktiskt har en annan, mycket användbar egenskap.'

Det andra elektroniska tillståndet hade en tät koppling mellan magnetism och externa foton av ljus – inte användbart för känslig kvantdata, men kraven för ett effektivt optiskt minne.

För att ytterligare utforska denna potentiella tillämpning av MnBi2Te4 planerar Yangs grupp nu experiment där de använder en laser för att manipulera materialets egenskaper. De tror att ett optiskt minne som använder MnBi2Te4 skulle kunna vara många gånger mer effektivt än dagens typiska elektroniska minnesenheter.

Yang påpekade också att en bättre förståelse av balansen mellan de två elektroniska tillstånden på ytan av MnBi2Te4 skulle kunna öka dess förmåga att fungera som en MTI och vara användbar för lagring av kvantdata.

'Kanske kan vi lära oss att justera balansen mellan det ursprungliga, teoretisk förutsagda tillståndet och detta nya kvasi-2D elektroniska tillstånd,' sa han. 'Detta kan vara möjligt genom att kontrollera våra syntesförhållanden.'

Mer information: 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

Tidskriftsinformation: Science Advances

Tillhandahållet av University of Chicago