Forscher entdecken neues Material für optisch gesteuerten Magnetspeicher

Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben unerwartete Fortschritte bei der Entwicklung eines neuen optischen Speichers gemacht, der schnell und energieeffizient Computerdaten speichern und abrufen kann. Bei der Untersuchung eines komplexen Materials aus Mangan, Wismut und Tellur (MnBi2Te4) 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.

„Das unterstreicht wirklich, wie die Grundlagenforschung sehr direkt neue Denkansätze für technische Anwendungen ermöglichen kann“, sagte 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 einem Artikel veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschrittezeigten Yang und Kollegen, wie die Elektronen in MnBi2Te4 zwischen zwei entgegengesetzten Zuständen konkurrieren – einem topologischen Zustand, der für die Kodierung von Quanteninformationen nützlich ist, und einem lichtempfindlichen Zustand, der für die optische Speicherung nützlich ist.

Ein topologisches Rätsel lösen

In der Vergangenheit wurde MnBi2Te4 auf sein Potenzial als magnetischer topologischer Isolator (MTI) untersucht, ein Material, das sich im Inneren wie ein Isolator verhält, an seinen Außenflächen jedoch Elektrizität leitet. Bei einem idealen MTI im 2D-Grenzwert tritt ein Quantenphänomen auf, bei dem ein elektrischer Strom in einem zweidimensionalen Strom entlang seiner Kanten fließt. Diese sogenannten „Elektronenautobahnen“ haben das Potenzial, Quantendaten zu kodieren und zu übertragen.

Wissenschaftler haben zwar vorhergesagt, dass MnBi2Te4 über eine derartige Elektronenautobahn verfügen sollte, das Material erwies sich jedoch als experimentell schwierig zu bearbeiten.

„Unser ursprüngliches Ziel war es, herauszufinden, warum es so schwierig war, diese topologischen Eigenschaften in MnBi2Te4 zu erhalten“, sagte Yang. „Warum ist die vorhergesagte Physik nicht gegeben?“

Um diese Frage zu beantworten, griff Yangs Gruppe auf modernste Spektroskopiemethoden zurück, mit denen sie das Verhalten der Elektronen in MnBi2Te4 in Echtzeit auf ultraschnellen Zeitskalen visualisieren konnten. Sie verwendeten die im Yang-Labor entwickelte zeit- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie und arbeiteten mit Xiao-Xiao Zhangs Gruppe an der University of Florida zusammen, um zeitaufgelöste magnetooptische Kerr-Effekt-Messungen (MOKE) durchzuführen, die die Beobachtung von Magnetismus ermöglichen.

„Diese Kombination von Techniken lieferte uns nicht nur direkte Informationen darüber, wie sich Elektronen bewegten, sondern auch darüber, wie ihre Eigenschaften mit Licht gekoppelt waren“, erklärte Yang.

Zwei gegensätzliche Staaten

Als die Forscher ihre Spektroskopieergebnisse analysierten, wurde klar, warum MnBi2Te4 sich nicht als gutes topologisches Material verhielt. Es gab einen quasi-2D-Elektronenzustand, der mit dem topologischen Zustand um Elektronen konkurrierte.

„Es gibt eine völlig andere Art von Oberflächenelektronen, die die ursprünglichen topologischen Oberflächenelektronen ersetzen“, sagte Yang. „Aber es stellt sich heraus, dass dieser quasi-2D-Zustand tatsächlich eine andere, sehr nützliche Eigenschaft hat.“

Der zweite elektronische Zustand wies 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 Yangs Gruppe 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 außerdem darauf hin, dass ein besseres Verständnis des Gleichgewichts zwischen den beiden Elektronenzuständen auf der Oberfläche von MnBi2Te4 dessen Fähigkeit verbessern könnte, als MTI zu fungieren und bei der Quantendatenspeicherung nützlich zu sein.

„Vielleicht könnten wir lernen, das Gleichgewicht zwischen dem ursprünglichen, theoretisch vorhergesagten Zustand und diesem neuen quasi-2D-elektronischen Zustand einzustellen“, sagte er. „Das könnte möglich sein, indem wir unsere Synthesebedingungen kontrollieren.“