MnBi2Te4 nouveau matériau pour la mémoire optique
En étudiant un matériau complexe composé de manganèse, de bismuth et de tellure (MnBi2Te4), des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l’université de Chicago ont découvert que les propriétés magnétiques du matériau changeaient rapidement et facilement en réponse à la lumière.
Cette découverte inattendue signifie qu’un laser pourrait être utilisé pour encoder des informations dans les états magnétiques du MnBi2Te4, ce qui permettrait de créer une nouvelle mémoire optique capable de stocker et d’accéder rapidement et efficacement à des données informatiques.
Dans un article, Shuolong Yang, professeur adjoint d’ingénierie moléculaire à la PME, 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 les mémoires optiques.
« Cela montre vraiment comment la science fondamentale peut permettre de nouvelles façons de penser les applications d’ingénierie de manière très directe », a déclaré Shuolong Yang. « Nous avons commencé par vouloir comprendre les détails moléculaires de ce matériau et nous avons fini par nous rendre compte qu’il possédait des propriétés inconnues jusqu’alors qui le rendent très utile.
Puzzle topologique
Dans le passé, le MnBi2Te4 a été étudié pour son potentiel en tant qu’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 autoroute à électrons, il a été difficile de travailler avec ce matériau de manière expérimentale.
« Notre objectif initial était de comprendre pourquoi il était si difficile d’obtenir ces propriétés topologiques dans le MnBi2Te4 », a déclaré M. 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 », a expliqué 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 de surface topologiques d’origine », explique M. Yang. « Mais il s’avère que cet état quasi-2D possède en fait une propriété différente et très utile.
Le deuxième 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 correspond exactement aux exigences d’une mémoire optique efficace.
Afin d’explorer plus avant cette application potentielle du MnBi2Te4, le groupe de Yang planifie actuellement des expériences au cours desquelles il utilisera 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.
M. 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 en tant que MTI et être utile pour le stockage de données quantiques.
« 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.
DOI: https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adn5696
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