研究人员发现光控磁存储器的新材料
芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME) 的研究人员在开发一种新型光学存储器方面取得了意想不到的进展，这种存储器可以快速高效地存储和访问计算数据。在研究一种由锰、铋和碲 (MnBi 2 Te 4 ) 组成的复合材料时，研究人员发现，这种材料的磁性会随着光的变化而快速而轻松地发生变化。这意味着可以使用激光在 MnBi 2 Te 4的磁态中编码信息。“这确实凸显了基础科学如何能够非常直接地为工程应用带来新思路，”分子工程学助理教授、新论文的资深作者杨硕龙说。“我们一开始的动机是了解这种材料的分子细节，最终意识到它具有以前未被发现的特性，这些特性使其非常有用。”
在《科学进展》上发表的一篇论文中，杨和他的同事展示了 MnBi 2 Te 4中的电子如何在两种相反的状态之间竞争——一种适用于编码量子信息的拓扑状态，以及一种适用于光存储的光敏状态。
解决拓扑难题
过去，MnBi 2 Te 4因其作为磁性拓扑绝缘体 (MTI) 的潜力而受到研究，这种材料的内部表现得像绝缘体，但外表面导电。对于二维极限下的理想 MTI，会出现一种量子现象，其中电流沿其边缘以二维流的形式流动。这些所谓的“电子高速公路”有可能编码和携带量子数据。
尽管科学家预测 MnBi 2 Te 4应该能够承载这样的电子高速公路，但这种材料在实验上一直很难操作。
杨说：“我们最初的目标是了解为什么在 MnBi 2 Te 4中获得这些拓扑特性如此困难。为什么预测的物理特性并不存在？”
为了回答这个问题，杨教授的研究小组采用了尖端的光谱学方法，使他们能够在超快时间尺度上实时可视化 MnBi 2 Te 4中电子的行为。他们使用了杨教授实验室开发的时间和角度分辨光电子能谱法，并与佛罗里达大学的张晓晓团队合作，进行了时间分辨磁光克尔效应 (MOKE) 测量，从而可以观察到磁性。
杨解释说：“这种技术的组合不仅为我们提供了有关电子如何运动的直接信息，还为我们提供了有关电子的特性如何与光耦合的信息。”
两个对立的国家
当研究人员分析他们的光谱结果时，他们清楚地知道为什么 MnBi 2 Te 4不是一种好的拓扑材料。因为其中存在一种准二维电子态，它与拓扑态争夺电子。
“有一种完全不同类型的表面电子取代了原来的拓扑表面电子，”杨说。“但事实证明，这种准二维状态实际上具有不同的、非常有用的属性。”
第二种电子态具有磁性和外部光子之间的紧密耦合——这对于敏感的量子数据没有用处，但却是高效光学存储器的确切要求。
为了进一步探索 MnBi 2 Te 4的潜在应用，杨教授的研究小组正在计划进行实验，利用激光来操控材料的特性。他们相信，使用 MnBi 2 Te 4的光学存储器的效率将比当今典型的电子存储器高出几个数量级。
杨还指出，更好地了解 MnBi 2 Te 4表面两种电子态之间的平衡可以增强其作为 MTI 的能力，并有助于量子数据存储。
“也许我们可以学会调整原始理论预测状态与这种新的准二维电子状态之间的平衡，”他说。“通过控制我们的合成条件，这可能成为可能。”
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