Pesquisadores descobrem novo material para memória magnética controlada opticamente

Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago fizeram um progresso inesperado em direção ao desenvolvimento de uma nova memória óptica que pode armazenar e acessar dados computacionais de forma rápida e com eficiência energética. Ao estudar um material complexo composto de manganês, bismuto e telúrio (MnBi₂O₄), os pesquisadores perceberam que as propriedades magnéticas do material mudavam rápida e facilmente em resposta à luz. Isso significa que um laser poderia ser usado para codificar informações dentro dos estados magnéticos do MnBi₂O₄.

“Isso realmente ressalta como a ciência fundamental pode permitir novas maneiras de pensar sobre aplicações de engenharia de forma muito direta”, disse Shuolong Yang, professor assistente de engenharia molecular e autor sênior do novo trabalho. “Começamos com a motivação de entender os detalhes moleculares deste material e acabamos percebendo que ele tinha propriedades não descobertas anteriormente que o tornam muito útil.”

Em um artigo publicado em Avanços da CiênciaYang e colegas mostraram como os elétrons em MnBi₂O₄ competir entre dois estados opostos — um estado topológico útil para codificar informações quânticas e um estado sensível à luz útil para armazenamento óptico.

Resolvendo um quebra-cabeça topológico

No passado, MnBi₂O₄ foi estudado por sua promessa como um isolante topológico magnético (MTI), um material que se comporta como um isolante em seu interior, mas conduz eletricidade em suas superfícies externas. Para um MTI ideal no limite 2D, surge um fenômeno quântico no qual uma corrente elétrica flui em um fluxo bidimensional ao longo de suas bordas. Essas chamadas “vias livres de elétrons” têm o potencial de codificar e transportar dados quânticos.

Embora os cientistas tenham previsto que o MnBi₂O₄ deveria ser capaz de hospedar tal autoestrada de elétrons, mas tem sido difícil trabalhar com o material experimentalmente.

“Nosso objetivo inicial era entender por que tem sido tão difícil obter essas propriedades topológicas em MnBi₂O₄“, disse Yang. “Por que a física prevista não está lá?”

Para responder a essa pergunta, o grupo de Yang recorreu a métodos de espectroscopia de ponta que lhes permitiram visualizar o comportamento dos elétrons dentro do MnBi₂O₄ em tempo real em escalas de tempo ultrarrápidas. Eles usaram espectroscopia de fotoemissão com resolução de tempo e ângulo desenvolvida no laboratório Yang e colaboraram com o grupo de Xiao-Xiao Zhang na Universidade da Flórida para realizar medições de efeito Kerr magneto-óptico (MOKE) com resolução de tempo, o que permite a observação do magnetismo.

“Essa combinação de técnicas nos deu informações diretas não apenas sobre como os elétrons estavam se movendo, mas como suas propriedades estavam acopladas à luz”, explicou Yang.

Dois estados opostos

Quando os pesquisadores analisaram seus resultados de espectroscopia, ficou claro por que o MnBi₂O₄ não estava agindo como um bom material topológico. Havia um estado eletrônico quase 2D, que estava competindo com o estado topológico por elétrons.

“Há um tipo completamente diferente de elétrons de superfície que substituem os elétrons de superfície topológicos originais”, disse Yang. “Mas acontece que esse estado quase 2D na verdade tem uma propriedade diferente e muito útil.”

O segundo estado eletrônico tinha um acoplamento estreito entre magnetismo e fótons externos de luz — o que não era útil para dados quânticos sensíveis, mas atendia aos requisitos exatos para uma memória óptica eficiente.

Para explorar mais a fundo esta potencial aplicação do MnBi₂O₄O grupo de Yang está agora planejando experimentos nos quais eles usam um laser para manipular as propriedades do material. Eles acreditam que uma memória óptica usando MnBi₂O₄ poderiam ser ordens de magnitude mais eficientes do que os dispositivos de memória eletrônica típicos de hoje.

Yang também destacou que uma melhor compreensão do equilíbrio entre os dois estados de elétrons na superfície do MnBi₂O₄ poderia aumentar sua capacidade de atuar como um MTI e ser útil no armazenamento de dados quânticos.

“Talvez pudéssemos aprender a ajustar o equilíbrio entre o estado original, teoricamente previsto, e esse novo estado eletrônico quase 2D”, ele disse. “Isso pode ser possível controlando nossas condições de síntese.”