Neues Material für optisch gesteuerten Magnetspeicher entdeckt
PME-Forscher betrieben Grundlagenforschung an einem magnetischen topologischen Isolator, als sie erkannten, dass dieser das Potenzial hat, optische Speichergeräte zu bauen.
Forscher der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (PME) haben unerwartete Fortschritte bei der Entwicklung eines neuen optischen Speichers gemacht, der schnell und energieeffizient Daten speichern und abrufen kann. Bei der Untersuchung eines komplexen Materials, das aus Mangan, Wismut und Tellur (MnBi2Te4) besteht, stellten die Forscher fest, dass sich die magnetischen Eigenschaften des Materials als Reaktion auf Licht schnell und einfach ändern. Dies bedeutet, dass ein Laser verwendet werden könnte, um Informationen in den magnetischen Zuständen von MnBi2Te4 zu kodieren.
Forscher des Yang Labs an der UChicago Pritzker School of Molecular Engineering haben unerwartete Fortschritte bei der Entwicklung eines neuen optischen Speichers gemacht, der schnell und energieeffizient Daten speichern und abrufen kann.
(Illustration by Peter Allen; Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago
"Dies unterstreicht, wie die Grundlagenforschung ganz direkt neue Denkansätze für technische Anwendungen ermöglichen kann", so Shuolong Yang, Assistenzprofessor für Molekulartechnik und Hauptautor der neuen Arbeit. "Wir begannen mit der Motivation, die molekularen Details dieses Materials zu verstehen, und stellten schließlich fest, dass es bisher unentdeckte Eigenschaften hat, die es sehr nützlich machen."
In einer Arbeit zeigten Yang und Kollegen, wie die Elektronen in MnBi2Te4 zwischen zwei gegensätzlichen Zuständen konkurrieren - einem topologischen Zustand, der für die Kodierung von Quanteninformationen nützlich ist, und einem lichtempfindlichen Zustand, der sich für die optische Speicherung eignet.
Die Lösung eines topologischen Rätsels
In der Vergangenheit wurde MnBi2Te4 als vielversprechender magnetischer topologischer Isolator (MTI) untersucht, ein Material, das sich im Inneren wie ein Isolator verhält, aber an seinen Außenflächen Elektrizität leitet. Bei einem idealen MTI im 2D-Limit tritt ein Quantenphänomen auf, bei dem ein elektrischer Strom in einem zweidimensionalen Strom entlang der Kanten fließt. Diese so genannten "Elektronen-Freeways" haben das Potenzial, Quantendaten zu kodieren und zu übertragen.
Wissenschaftler haben zwar vorhergesagt, dass MnBi2Te4 in der Lage sein sollte, eine solche Elektronenbahn zu beherbergen, doch war es bisher schwierig, mit dem Material experimentell zu arbeiten.
"Unser erstes Ziel war es zu verstehen, warum es so schwierig war, diese topologischen Eigenschaften in MnBi2Te4 zu erhalten", sagt Yang. "Warum ist die vorhergesagte Physik nicht vorhanden?"
Um diese Frage zu beantworten, wandte Yangs Gruppe modernste Spektroskopiemethoden an, mit denen sie das Verhalten der Elektronen in MnBi2Te4 in Echtzeit auf ultraschnellen Zeitskalen sichtbar machen konnten. Sie nutzten die zeit- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie, die im Labor von Yang entwickelt wurde, und arbeiteten mit der Gruppe von Xiao-Xiao Zhang an der University of Florida zusammen, um zeitaufgelöste Messungen des magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) durchzuführen, der die Beobachtung von Magnetismus ermöglicht.
"Diese Kombination von Techniken gab uns nicht nur direkte Informationen darüber, wie sich die Elektronen bewegen, sondern auch darüber, wie ihre Eigenschaften an das Licht gekoppelt sind", erklärt Yang.
Zwei gegensätzliche Zustände
Als die Forscher ihre Spektroskopieergebnisse analysierten, war klar, warum MnBi2Te4 kein gutes topologisches Material war. Es gab einen elektronischen Quasi-2D-Zustand, der mit dem topologischen Zustand um Elektronen konkurrierte.
"Es gibt eine völlig andere Art von Oberflächenelektronen, die die ursprünglichen topologischen Oberflächenelektronen ersetzen", so Yang. "Aber es stellt sich heraus, dass dieser Quasi-2D-Zustand tatsächlich eine andere, sehr nützliche Eigenschaft hat."
Der zweite elektronische Zustand weist eine enge Kopplung zwischen Magnetismus und externen Lichtphotonen auf - nicht nützlich für empfindliche Quantendaten, aber genau die Voraussetzungen für einen effizienten optischen Speicher.
Um diese potenzielle Anwendung von MnBi2Te4 weiter zu erforschen, plant die Gruppe von Yang nun Experimente, bei denen sie die Eigenschaften des Materials mit einem Laser manipulieren. Sie glauben, dass ein optischer Speicher mit MnBi2Te4 um Größenordnungen effizienter sein könnte als die heute üblichen elektronischen Speichergeräte.
Yang wies auch darauf hin, dass ein besseres Verständnis des Gleichgewichts zwischen den beiden Elektronenzuständen auf der Oberfläche von MnBi2Te4 dessen Fähigkeit, als MTI zu fungieren, verbessern und für die Quantendatenspeicherung nützlich sein könnte.
"Vielleicht können wir lernen, das Gleichgewicht zwischen dem ursprünglichen, theoretisch vorhergesagten Zustand und diesem neuen elektronischen Quasi-2D-Zustand einzustellen", sagte er. "Dies könnte möglich sein, indem wir unsere Synthesebedingungen kontrollieren.
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