Découverte d'un nouveau matériau pour une mémoire magnétique à contrôle optique
Les chercheurs de la PME effectuaient des recherches fondamentales sur un isolant topologique magnétique lorsqu'ils ont réalisé qu'il offrait la possibilité de construire des dispositifs de stockage optique.
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'université de Chicago ont réalisé des progrès inattendus dans la mise au point d'une nouvelle mémoire optique capable de stocker et d'accéder rapidement et efficacement à des 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 encoder des informations dans les états magnétiques du MnBi2Te4.
Les chercheurs du laboratoire Yang de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'UChicago ont réalisé des progrès inattendus dans la mise au point d'une nouvelle mémoire optique capable de stocker et d'accéder rapidement et efficacement à des données informatiques.
(Illustration by Peter Allen; Pritzker School of Molecular Engineering, University of Chicago
"Cela souligne vraiment comment la science fondamentale peut permettre de nouvelles façons de penser les applications d'ingénierie de manière très directe", a déclaré Shuolong Yang, professeur adjoint d'ingénierie moléculaire et auteur principal de ce nouveau travail. "Nous sommes partis de la motivation de comprendre les détails moléculaires de ce matériau et nous avons fini par réaliser qu'il possédait des propriétés inconnues jusqu'alors qui le rendaient très utile".
Dans un article, Yang et ses collègues ont montré comment les électrons du MnBi2Te4 rivalisent entre deux états opposés : un état topologique utile pour le codage d'informations quantiques et un état sensible à la lumière utile pour le stockage optique.
Résoudre une énigme topologique
Dans le passé, le MnBi2Te4 a été étudié pour son potentiel d'isolant topologique magnétique (MTI), un matériau qui se comporte comme un isolant à l'intérieur mais qui conduit l'électricité sur ses surfaces extérieures. Pour un MTI idéal dans la limite de la 2D, un phénomène quantique émerge dans lequel un courant électrique circule dans un flux bidimensionnel le long de ses bords. Ces "autoroutes à électrons" ont le potentiel de coder et de transporter des données quantiques.
Bien que les scientifiques aient prédit que le MnBi2Te4 devrait être capable d'accueillir une telle voie libre 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 le MnBi2Te4", explique Yang. "Pourquoi la physique prédite n'est-elle pas présente ?
Pour répondre à cette question, le groupe de Yang s'est tourné vers des méthodes de spectroscopie de pointe qui lui permettent de visualiser le comportement des électrons dans le MnBi2Te4 en temps réel sur des échelles de temps ultrarapides. Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle développée dans le laboratoire de Yang et ont collaboré avec le groupe de Xiao-Xiao Zhang de l'université de Floride pour effectuer des mesures de l'effet Kerr magnéto-optique (MOKE) résolues en temps, ce qui permet d'observer le magnétisme.
"Cette combinaison de techniques nous a permis d'obtenir des informations directes non seulement sur la façon dont les électrons se déplacent, mais aussi sur la façon dont leurs propriétés sont couplées à la lumière", explique M. Yang.
Deux états opposés
Lorsque les chercheurs ont analysé les résultats de leur spectroscopie, il est apparu clairement que le MnBi2Te4 ne se comportait pas comme un bon matériau topologique. Il y avait un état électronique quasi 2D qui entrait en compétition avec l'état topologique pour les électrons.
"Il existe un type complètement différent d'électrons de surface qui remplacent les électrons topologiques de surface d'origine", explique Yang. "Mais il s'avère que cet état quasi 2D possède en fait une propriété différente et très utile.
Le second état électronique présentait un couplage étroit entre le magnétisme et les photons de lumière externes - ce qui n'est pas utile pour les données quantiques sensibles, mais qui correspond exactement aux exigences d'une mémoire optique efficace.
Afin d'explorer plus avant cette application potentielle du MnBi2Te4, le groupe de Yang planifie à présent des expériences dans lesquelles il utilise un laser pour manipuler les propriétés du matériau. Ils pensent qu'une mémoire optique utilisant le MnBi2Te4 pourrait être beaucoup plus efficace que les dispositifs de mémoire électronique typiques d'aujourd'hui.
Yang a également souligné qu'une meilleure compréhension de l'équilibre entre les deux états électroniques à la surface du MnBi2Te4 pourrait renforcer sa capacité à agir comme un MTI et être utile pour le stockage quantique des données.
"Nous pourrions peut-être apprendre à régler l'équilibre entre l'état original, prédit par la théorie, et ce nouvel état électronique quasi 2D", a-t-il déclaré. "Cela pourrait être possible en contrôlant nos conditions de synthèse.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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