Descubierto un nuevo material para memorias magnéticas controladas ópticamente

Los investigadores del PME estaban llevando a cabo una investigación básica sobre un aislante topológico magnético cuando se dieron cuenta de que tenía potencial para construir dispositivos de almacenamiento óptico.

14.08.2024

Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago han logrado avances inesperados en el desarrollo de una nueva memoria óptica capaz de almacenar y acceder a datos computacionales con rapidez y eficiencia energética. Mientras estudiaban un material complejo compuesto de manganeso, bismuto y telurio (MnBi2Te4), los investigadores se dieron cuenta de que las propiedades magnéticas del material cambiaban rápida y fácilmente en respuesta a la luz. Esto significa que se podría utilizar un láser para codificar información dentro de los estados magnéticos del MnBi2Te4.

Shuolong Yang, profesor adjunto de Ingeniería Molecular y autor principal del nuevo trabajo, afirma: "Esto pone de manifiesto cómo la ciencia fundamental puede permitir nuevas formas de pensar sobre aplicaciones de ingeniería de forma muy directa". "Empezamos con la motivación de entender los detalles moleculares de este material y acabamos dándonos cuenta de que tenía propiedades no descubiertas hasta entonces que lo hacen muy útil".

En un artículo, Yang y sus colegas mostraron cómo los electrones del MnBi2Te4 compiten entre dos estados opuestos: un estado topológico útil para codificar información cuántica y un estado sensible a la luz útil para el almacenamiento óptico.

Resolver un rompecabezas topológico

En el pasado, el MnBi2Te4 se ha estudiado por su potencial como aislante topológico magnético (MTI), un material que se comporta como un aislante en su interior pero conduce la electricidad en sus superficies exteriores. Para un MTI ideal en el límite 2D, surge un fenómeno cuántico en el que una corriente eléctrica fluye en una corriente bidimensional a lo largo de sus bordes. Estas "autopistas de electrones" pueden codificar y transportar datos cuánticos.

Aunque los científicos han predicho que el MnBi2Te4 debería ser capaz de albergar una autopista de electrones de este tipo, el material ha sido difícil de trabajar experimentalmente.

"Nuestro objetivo inicial era entender por qué ha sido tan difícil obtener estas propiedades topológicas en el MnBi2Te4", explica Yang. "¿Por qué no existe la física predicha?".

Para responder a esa pregunta, el grupo de Yang recurrió a métodos espectroscópicos de vanguardia que les permitieron visualizar el comportamiento de los electrones dentro del MnBi2Te4 en tiempo real en escalas de tiempo ultrarrápidas. Utilizaron espectroscopia de fotoemisión con resolución temporal y angular desarrollada en el laboratorio de Yang, y colaboraron con el grupo de Xiao-Xiao Zhang de la Universidad de Florida para realizar medidas del efecto magneto-óptico Kerr (MOKE) con resolución temporal, que permite observar el magnetismo.

"Esta combinación de técnicas nos proporcionó información directa no sólo sobre cómo se movían los electrones, sino también sobre cómo se acoplaban sus propiedades a la luz", explicó Yang.

Dos estados opuestos

Cuando los investigadores analizaron los resultados de su espectroscopia, quedó claro por qué el MnBi2Te4 no actuaba como un buen material topológico. Había un estado electrónico casi 2D que competía con el estado topológico por los electrones.

"Hay un tipo completamente distinto de electrones superficiales que sustituyen a los electrones superficiales topológicos originales", explica Yang. "Pero resulta que este estado cuasi-2D tiene en realidad una propiedad diferente y muy útil".

El segundo estado electrónico presentaba un estrecho acoplamiento entre el magnetismo y los fotones de luz externos, lo que no es útil para datos cuánticos sensibles, pero sí los requisitos exactos para una memoria óptica eficiente.

Para explorar más a fondo esta posible aplicación del MnBi2Te4, el grupo de Yang planea ahora experimentos en los que utilizarán un láser para manipular las propiedades del material. Creen que una memoria óptica que utilice MnBi2Te4 podría ser órdenes de magnitud más eficiente que los dispositivos de memoria electrónica típicos de hoy en día.

Yang también señaló que una mejor comprensión del equilibrio entre los dos estados de los electrones en la superficie del MnBi2Te4 podría potenciar su capacidad para actuar como MTI y ser útil en el almacenamiento cuántico de datos.

"Quizá podamos aprender a ajustar el equilibrio entre el estado original, predicho teóricamente, y este nuevo estado electrónico cuasi-2D", afirma. "Esto podría ser posible controlando nuestras condiciones de síntesis".

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