Des chercheurs découvrent un nouveau matériau pour une mémoire magnétique à contrôle optique

Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’Université de Chicago ont réalisé des progrès inattendus dans le développement d’une nouvelle mémoire optique capable de stocker et d’accéder rapidement et efficacement aux données informatiques. En étudiant un matériau complexe composé de manganèse, de bismuth et de tellure (MnBi₂Te₄), les chercheurs ont réalisé que les propriétés magnétiques du matériau changeaient rapidement et facilement en réponse à la lumière. Cela signifie qu’un laser pourrait être utilisé pour coder des informations dans les états magnétiques du MnBi₂Te₄.

« Cela montre bien à quel point la science fondamentale peut ouvrir la voie à de nouvelles façons de penser les applications techniques », a déclaré Shuolong Yang, professeur adjoint d’ingénierie moléculaire et auteur principal de la nouvelle étude. « Nous avons commencé avec la motivation de comprendre les détails moléculaires de ce matériau et avons fini par réaliser qu’il avait des propriétés jusqu’alors inconnues qui le rendent très utile. »

Dans un article publié dans Progrès scientifiquesYang et ses collègues ont montré comment les électrons dans MnBi₂Te₄ concurrence entre deux états opposés : un état topologique utile pour coder l’information quantique et un état sensible à la lumière utile pour le stockage optique.

Résoudre un casse-tête topologique

Dans le passé, MnBi₂Te₄ Le MTI a été étudié pour ses promesses en tant qu’isolant topologique magnétique (MTI), un matériau qui se comporte comme un isolant à l’intérieur mais conduit l’électricité sur ses surfaces extérieures. Pour un MTI idéal dans la limite 2D, un phénomène quantique émerge dans lequel un courant électrique circule dans un flux bidimensionnel le long de ses bords. Ces « autoroutes électroniques » ont le potentiel d’encoder et de transporter des données quantiques.

Alors que les scientifiques ont prédit que MnBi₂Te₄ devrait être capable d’héberger une telle autoroute d’électrons, le matériau a été difficile à travailler expérimentalement.

« Notre objectif initial était de comprendre pourquoi il était si difficile d’obtenir ces propriétés topologiques dans MnBi₂Te₄“, a demandé Yang. “Pourquoi la physique prédite n’est-elle pas là ?”

Pour répondre à cette question, le groupe de Yang s’est tourné vers des méthodes de spectroscopie de pointe qui leur permettent de visualiser le comportement des électrons dans MnBi₂Te₄ en temps réel sur des échelles de temps ultra-rapides. Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle développée dans le laboratoire Yang et ont collaboré avec le groupe de Xiao-Xiao Zhang à l’Université de Floride pour effectuer des mesures d’effet Kerr magnéto-optique résolues en temps (MOKE), qui permettent l’observation du magnétisme.

« Cette combinaison de techniques nous a donné des informations directes non seulement sur la façon dont les électrons se déplaçaient, mais également sur la façon dont leurs propriétés étaient couplées à la lumière », a expliqué Yang.

Deux États opposés

Lorsque les chercheurs ont analysé leurs résultats de spectroscopie, il est devenu clair pourquoi MnBi₂Te₄ ne se comportait pas comme un bon matériau topologique. Il y avait un état électronique quasi-2D, qui était en compétition avec l’état topologique des électrons.

« Il existe un type d’électrons de surface complètement différent qui remplace les électrons de surface topologiques d’origine », a déclaré Yang. « Mais il s’avère que cet état quasi-2D possède en fait une propriété différente, très utile. »

Le deuxième état électronique présentait un couplage étroit entre le magnétisme et les photons de lumière externes, ce qui n’était pas utile pour les données quantiques sensibles, mais répondait exactement aux exigences d’une mémoire optique efficace.

Pour explorer davantage cette application potentielle du MnBi₂Te₄Le groupe de Yang prévoit maintenant des expériences dans lesquelles ils utiliseront un laser pour manipuler les propriétés du matériau. Ils pensent qu’une mémoire optique utilisant MnBi₂Te₄ pourraient être des ordres de grandeur plus efficaces que les dispositifs de mémoire électroniques classiques d’aujourd’hui.

Yang a également souligné qu’une meilleure compréhension de l’équilibre entre les deux états électroniques à la surface de MnBi₂Te₄ pourrait renforcer sa capacité à agir comme un MTI et être utile dans le stockage de données quantiques.

« Peut-être pourrions-nous apprendre à ajuster l’équilibre entre l’état originel, théoriquement prédit, et ce nouvel état électronique quasi-2D », a-t-il déclaré. « Cela pourrait être possible en contrôlant nos conditions de synthèse. »