Istraživači sa Pritzker škole za molekularno inženjerstvo (PME) Univerziteta u Čikagu postigli su neočekivani napredak ka razvoju nove optičke memorije koja može brzo i energetski efikasno da skladišti i pristupa računarskim podacima. Proučavajući složeni materijal sastavljen od mangana, bizmuta i telura (MnBi 2 Te 4), istraživači su shvatili da se magnetna svojstva materijala brzo i lako menjaju kao odgovor na svetlost. To znači da bi laser mogao da se koristi za kodiranje informacija unutar magnetnih stanja MnBi 2 Te 4.
„Ovo zaista naglašava kako fundamentalna nauka može omogućiti nove načine razmišljanja o inženjerskim aplikacijama veoma direktno“, rekao je Šuolong Jang, docent molekularnog inženjeringa i stariji autor novog rada. „Počeli smo sa motivacijom da razumemo molekularne detalje ovog materijala i na kraju shvatili da ima ranije neotkrivena svojstva koja ga čine veoma korisnim.“
U radu objavljenom u Science Advances , Jang i kolege su pokazali kako se elektroni u MnBi 2 Te 4 takmiče između dva suprotna stanja — topološkog stanja korisnog za kodiranje kvantnih informacija i stanja osetljivog na svetlost korisnog za optičko skladištenje.
U prošlosti, MnBi 2 Te 4 je proučavan zbog svog obećanja kao magnetnog topološkog izolatora (MTI), materijala koji se ponaša kao izolator u svojoj unutrašnjosti, ali provodi električnu energiju na svojim spoljašnjim površinama. Za idealan MTI u 2D granici, pojavljuje se kvantni fenomen u kome električna struja teče u dvodimenzionalnom toku duž njegovih ivica. Ovi takozvani „autoputevi elektrona“ imaju potencijal da kodiraju i prenose kvantne podatke.
Dok su naučnici predvideli da bi MnBi 2 Te 4 trebalo da bude u stanju da ugosti takav autoput elektrona, sa materijalom je bilo teško eksperimentalno raditi.
„Naš početni cilj je bio da razumemo zašto je bilo tako teško dobiti ova topološka svojstva u MnBi 2 Te 4“, rekao je Jang. „Zašto nema predviđene fizike?“
Da bi odgovorila na to pitanje, Jangova grupa se okrenula najsavremenijim metodama spektroskopije koje im omogućavaju da vizuelizuju ponašanje elektrona unutar MnBi 2 Te 4 u realnom vremenu na ultrabrzim vremenskim skalama. Koristili su fotoemisionu spektroskopiju sa razlučivanjem u vremenu i uglu, razvijenu u laboratoriji Jang, i sarađivali sa grupom Ksiao-Ksiao Zhang-a na Univerzitetu Florida kako bi izvršili merenja magnetno-optičkog Kerovog efekta (MOKE) sa vremenskim razlučivanjem, što omogućava posmatranje magnetizma. .
„Ova kombinacija tehnika nam je dala direktne informacije ne samo o tome kako se elektroni kreću, već i o tome kako su njihova svojstva povezana sa svetlošću“, objasnio je Jang.
Kada su istraživači analizirali rezultate svoje spektroskopije, bilo je jasno zašto MnBi 2 Te 4 nije delovao kao dobar topološki materijal. Postojalo je kvazi-2D elektronsko stanje, koje se takmičilo sa topološkim stanjem za elektrone.
„Postoji potpuno drugačiji tip površinskih elektrona koji zamenjuju originalne topološke površinske elektrone“, rekao je Jang. „Ali ispostavilo se da ovo kvazi-2D stanje zapravo ima drugačije, veoma korisno svojstvo.
Drugo elektronsko stanje imalo je tesnu vezu između magnetizma i spoljašnjih fotona svetlosti – nije korisno za osetljive kvantne podatke, ali za tačne zahteve za efikasnu optičku memoriju.
Da bi dalje istražila ovu potencijalnu primenu MnBi 2 Te 4 , Jangova grupa sada planira eksperimente u kojima će koristiti laser za manipulisanje svojstvima materijala. Oni veruju da bi optička memorija koja koristi MnBi 2 Te 4 mogla biti za redove veličine efikasnija od današnjih tipičnih elektronskih memorijskih uređaja.
Jang je takođe istakao da bi bolje razumevanje ravnoteže između dva elektronska stanja na površini MnBi 2 Te 4 moglo povećati njegovu sposobnost da deluje kao MTI i da bude korisno u kvantnom skladištenju podataka.
„Možda bismo mogli da naučimo da podesimo ravnotežu između prvobitnog, teoretski predviđenog stanja i ovog novog kvazi-2D elektronskog stanja“, rekao je on. „Ovo bi moglo biti moguće kontrolisanjem naših uslova sinteze.“
