Ученые предложили новый материал для оптически управляемой магнитной памяти
Новый материал, который можно использовать для создания оптически управляемой магнитной памяти, обнаружили исследователи из Школы молекулярной инженерии им. Притцкера Чикагского университета (PME), 9 августа сообщает пресс-служба PME.
Ученые, исследуя свойства сложного вещества, состоящего из марганца, висмута и теллура (MnBi₂Te₄), установили, что магнитные свойства этого материала можно быстро и легко изменять, воздействуя на него светом. Из чего вытекало, что лазером можно будет записывать информацию, сохраняя ее в магнитных состояниях MnBi₂Te₄.
Старший автор исследования, доцент кафедры молекулярной инженерии PME Шуолонг Ян отметил: «Это подчеркивает, что фундаментальная наука действительно может помочь по-новому взглянуть на инженерные приложения. Мы начали со стремления понять молекулярные особенности этого материала и в итоге поняли, что у него есть ранее не открытые свойства, которые делают его очень полезным».
В своей статье, в которой Ян и его коллеги представили результаты своего исследования, они описали, как электроны в MnBi₂Te₄ конкурируют между двумя противоположными состояниями — топологическим, которое можно использовать для кодирования квантовой информации, и светочувствительным состоянием, которое можно использовать для ее хранения.
Ранее MnBi₂Te₄ изучался на предмет перспективности его использования в качестве магнитного топологического изолятора (MTI). Топологический изолятор — это материал, который в объеме является изолятором, но проводит электричество на своих внешних поверхностях.
Для идеального MTI в состоянии 2D возникает квантовое явление, при котором электрический ток течет в двумерном потоке вдоль его краев. Эти так называемые «электронные магистрали» обладают потенциалом кодировать и переносить квантовые данные.
Несмотря на то, что ученые предсказывали возможность MnBi2Te4 стать носителем такой электронной магистрали, экспериментально работать с этим материалом оказалось сложно. «Наша первоначальная цель состояла в том, — рассказал Ян, — чтобы понять, почему так сложно получить эти топологические свойства в MnBi₂Te₄. Почему предсказанная физика отсутствует?»
Для ответа на этот вопрос исследователи использовали передовые методы спектроскопии, которые позволили им визуализировать поведение электронов внутри MnBi₂Te₄ в реальном времени на сверхбыстрых временных масштабах. Они использовали фотоэмиссионную спектроскопию с временным и угловым разрешением, разработанную в лаборатории Яна.
Кроме того, они в сотрудничестве с группой Сяо-Сяо Чжана из Университета Флориды, провели измерения магнитооптического эффекта Керра с временным разрешением (MOKE), которые позволили им наблюдать магнетизм.
«Эта комбинация методов дала нам прямую информацию не только о том, как движутся электроны, но и о том, как их свойства связаны со светом», — пояснил Ян.
Анализ результатов спектроскопии показал, почему MnBi₂Te₄ «не хотел» работать как хороший топологический материал: существовавшее в нем квазидвухмерное электронное состояние конкурировало с топологическим состоянием за электроны.
«Существует совершенно другой тип поверхностных электронов, которые заменяют исходные топологические поверхностные электроны, — пояснил Ян. — Но оказалось, что это квазидвумерное состояние на самом деле имеет другое, очень полезное свойство».
Это второе электронное состояние определяло связь между магнетизмом материала и внешними фотонами света, что нельзя использовать для передачи чувствительных квантовых данных, но как раз соответствует требованиям эффективной оптической памяти.
Группа Яна намерена продолжить изучения этого потенциального применения MnBi₂Te₄ и планирует эксперименты, в которых они используют лазер для манипулирования свойствами материала. Они считают, что оптическая память, использующая MnBi₂Te₄, может оказаться на порядки эффективнее, чем современные электронные запоминающие устройства.
Ян также отметил, что, лучше разобравшись с балансом между двумя электронными состояниями на поверхности MnBi₂Te₄, вероятно, можно будет повысить его способность действовать и как МТИ, и хранить квантовые данные.
«Возможно, мы могли бы научиться настраивать баланс между исходным, теоретически предсказанным состоянием и этим новым квазидвумерным электронным состоянием, — сказал ученый. — Это может стать возможным, если мы сумеем контролировать условия синтеза».
Результаты своего исследования группа Яна представила в статье «Различение поверхностного и объемного электромагнетизма через их динамику в собственном магнитном топологическом изоляторе», опубликованной в журнале Science Advances
