Los investigadores descubren un nuevo material para la memoria magnética controlada ópticamente

Investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago han logrado avances inesperados hacia el desarrollo de una nueva memoria óptica que puede almacenar y acceder a datos computacionales de manera rápida y eficiente. Mientras estudia una sustancia compleja formada por manganeso, bismuto y telurio (MnBi).₂t₄Los investigadores se dieron cuenta de que las propiedades magnéticas del material cambian rápida y fácilmente en respuesta a la luz. Esto significa que se pueden utilizar láseres para codificar información dentro de los estados magnéticos del MnBi.₂t₄.

«Esto realmente subraya cómo la ciencia básica puede permitir muy directamente nuevas formas de pensar sobre las aplicaciones de la ingeniería», dijo Shulong Yang, profesor asistente de ingeniería molecular y autor principal del nuevo trabajo. «Comenzamos con la motivación de comprender los detalles moleculares de esta sustancia y terminamos dándonos cuenta de que tenía propiedades no descubiertas previamente que la hacían extremadamente útil».

En un artículo de investigación publicado en Progreso científicoYang y sus colegas mostraron cómo se mueven los electrones en MnBi₂t₄ Dos estados opuestos compiten: un estado topológico útil para codificar información cuántica y un estado sensible a la luz útil para el almacenamiento óptico.

Resuelve el rompecabezas topológico

En el pasado, MnBi₂t₄ Este material ha sido estudiado como aislante topológico magnético (MTI), un material que se comporta como un aislante en su interior pero conduce electricidad en su superficie exterior. Para un material aislante topológico magnético ideal en el límite 2D, surge un fenómeno cuántico en el que una corriente eléctrica fluye en una corriente 2D a lo largo de sus bordes. Estos llamados “métodos electrónicos libres” tienen la capacidad de cifrar y transmitir datos cuánticos.

Si bien los científicos esperaban que el MnBi₂t₄ El material tenía que poder albergar una autopista electrónica de este tipo, ya que era difícil trabajar con ella experimentalmente.

“Nuestro objetivo inicial era comprender por qué es tan difícil obtener estas propiedades topológicas en MnBi₂t₄«¿Por qué no existe la física esperada?», Dijo Yang.

Para responder a esta pregunta, el grupo de Yang recurrió a métodos de espectroscopia de vanguardia que les permitieron visualizar el comportamiento de los electrones dentro del MnBi.₂t₄ En tiempo real en escalas de tiempo ultrarrápidas. Utilizaron espectroscopía de emisión óptica con resolución temporal y angular desarrollada en el laboratorio de Yang, y colaboraron con el grupo de Xiaoxiang en la Universidad de Florida para realizar mediciones del efecto magnetoóptico Kerr (MOKE) con resolución temporal, que permiten la observación del magnetismo.

«Esta combinación de técnicas nos dio información directa no sólo sobre cómo se mueven los electrones, sino también sobre cómo se relacionan sus propiedades con la luz», explicó Yang.

Dos países opuestos

Cuando los investigadores analizaron los resultados de la espectroscopia, quedó claro por qué existía el MnBi.₂t₄ No funcionó como un buen material topológico. Había un estado electrónico casi 2D, que competía con el estado topológico por los electrones.

«Existe un tipo completamente diferente de electrón de superficie que reemplaza a los electrones de superficie topológicos originales», dijo Yang, «pero resulta que este estado cuasi-2D en realidad tiene una propiedad diferente y muy útil».

El segundo estado electrónico era un estrecho acoplamiento entre el magnetismo y los fotones externos de luz, lo que no era útil para datos cuánticos sensibles, pero era el requisito exacto para una memoria óptica eficiente.

Para explorar más a fondo esta posible aplicación de MnBi₂t₄El grupo de Yang planea ahora realizar experimentos en los que utilicen láseres para manipular las propiedades de la materia. Creen que la memoria óptica que utiliza MnBi₂t₄ Pueden ser muchas veces más eficientes que los típicos dispositivos de memoria electrónicos que se utilizan en la actualidad.

Yang también señaló que se comprende mejor el equilibrio entre los dos estados electrónicos en la superficie del MnBi.₂t₄ Puede mejorar su capacidad para funcionar como MTI y ser útil para almacenar datos cuantitativos.

«Quizás podamos aprender cómo afinar el equilibrio entre el estado original teóricamente predicho y el nuevo estado electrónico cuasi-2D. Esto puede ser posible controlando nuestras condiciones de síntesis», dijo.