Studiuesit në Shkollën e Inxhinierisë Molekulare të Universitetit të Çikagos Pritzker (PME) kanë bërë përparim të papritur drejt zhvillimit të një memorie të re optike që mund të ruajë dhe aksesojë të dhënat llogaritëse shpejt dhe me efikasitet energjie. Ndërsa studionin një material kompleks të përbërë nga mangani, bismuti dhe teluri (MnBi2Te4), studiuesit kuptuan se vetitë magnetike të materialit ndryshuan shpejt dhe lehtë në përgjigje të dritës. Kjo do të thotë që një lazer mund të përdoret për të koduar informacionin brenda gjendjeve magnetike të MnBi2Te4.
“Kjo vërtet nënvizon se si shkenca themelore mund të mundësojë mënyra të reja të të menduarit për aplikimet inxhinierike shumë drejtpërdrejt,” tha Shuolong Yang, asistent profesor i inxhinierisë molekulare dhe autor i lartë i punës së re. “Ne filluam me motivimin për të kuptuar detajet molekulare të këtij materiali dhe përfunduam duke kuptuar se kishte veti të pazbuluara më parë që e bëjnë atë shumë të dobishëm.”
Në një punim të botuar në Science Advances, Yang dhe kolegët treguan se si elektronet në MnBi2Te4 konkurrojnë midis dy gjendjeve të kundërta – një gjendje topologjike e dobishme për kodimin e informacionit kuantik dhe një gjendje e ndjeshme ndaj dritës e dobishme për ruajtjen optike.
Zgjidhja e një enigme topologjike
Në të kaluarën, MnBi2Te4 është studiuar për premtimin e tij si një izolues topologjik magnetik (MTI), një material që sillet si një izolues në brendësi të tij, por përçon elektricitetin në sipërfaqet e tij të jashtme. Për një MTI ideale në kufirin 2D, shfaqet një fenomen kuantik në të cilin një rrymë elektrike rrjedh në një rrymë dy-dimensionale përgjatë skajeve të saj. Këto të ashtuquajtura “autostrada elektronike” kanë potencialin për të koduar dhe bartur të dhëna kuantike.
Ndërsa shkencëtarët kanë parashikuar që MnBi2Te4 duhet të jetë në gjendje të presë një autostradë të tillë elektronike, materiali ka qenë i vështirë për t’u punuar në mënyrë eksperimentale.
“Qëllimi ynë fillestar ishte të kuptonim pse ka qenë kaq e vështirë për të marrë këto veti topologjike në MnBi2Te4,” tha Yang. “Pse fizika e parashikuar nuk është atje?”
Për t’iu përgjigjur kësaj pyetjeje, grupi i Yang iu drejtua metodave të spektroskopisë më të fundit që i lejojnë ata të vizualizojnë sjelljen e elektroneve brenda MnBi2Te4 në kohë reale në shkallët kohore ultra të shpejta. Ata përdorën spektroskopinë e fotoemetimit të zgjidhur në kohë dhe kënd të zhvilluar në laboratorin Yang dhe bashkëpunuan me grupin e Xiao-Xiao Zhang në Universitetin e Floridës për të kryer matjet e efektit magneto-optik Kerr (MOKE) të zgjidhura në kohë, i cili lejon vëzhgimin e magnetizmit. .
“Ky kombinim teknikash na dha informacion të drejtpërdrejtë jo vetëm mbi mënyrën se si lëviznin elektronet, por sesi vetitë e tyre ishin të lidhura me dritën,” shpjegoi Yang.
Dy gjendje të kundërta
Kur studiuesit analizuan rezultatet e tyre të spektroskopisë, ishte e qartë pse MnBi2Te4 nuk po vepronte si një material i mirë topologjik. Kishte një gjendje elektronike pothuajse 2D, e cila po konkurronte me gjendjen topologjike për elektrone.
“Ekziston një lloj krejtësisht i ndryshëm i elektroneve sipërfaqësore që zëvendësojnë elektronet origjinale topologjike të sipërfaqes,” tha Yang. “Por rezulton se ky shtet pothuajse 2D ka në fakt një veti të ndryshme, shumë të dobishme.”
Gjendja e dytë elektronike kishte një lidhje të ngushtë midis magnetizmit dhe fotoneve të jashtme të dritës – jo e dobishme për të dhënat e ndjeshme kuantike, por kërkesat e sakta për një memorie optike efikase.
Për të eksploruar më tej këtë aplikim të mundshëm të MnBi2Te4, grupi i Yang tani po planifikon eksperimente në të cilat ata përdorin një lazer për të manipuluar vetitë e materialit. Ata besojnë se një memorie optike që përdor MnBi2Te4 mund të jetë me përmasa më efikase se pajisjet e sotme tipike të memories elektronike.
Yang gjithashtu vuri në dukje se një kuptim më i mirë i ekuilibrit midis dy gjendjeve elektronike në sipërfaqen e MnBi2Te4 mund të rrisë aftësinë e tij për të vepruar si një MTI dhe të jetë i dobishëm në ruajtjen e të dhënave kuantike.
“Ndoshta ne mund të mësojmë të rregullojmë ekuilibrin midis gjendjes origjinale, të parashikuar teorikisht dhe kësaj gjendjeje të re elektronike kuazi-2D,” tha ai. “Kjo mund të jetë e mundur duke kontrolluar kushtet tona të sintezës.”
