芝加哥大學普利茲克分子工程學院（PME）的研究人員在開發一種新型光學記憶體方面取得了意想不到的進展，這種記憶體可以快速、節能地儲存和存取計算資料。在研究一種由錳、鉍和碲（MnBi2Te4）組成的複雜材料時，研究人員意識到這種材料的磁性能在光的作用下迅速且輕鬆地發生變化。這意味著可以用雷射在MnBi2Te4 的磁性狀態中編碼訊息。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院楊實驗室的研究人員在開發一種新型光學記憶體方面取得了意想不到的進展，這種記憶體可以快速、節能地儲存和存取計算資料。資料來源：芝加哥大學普立茲克分子工程學院Peter Allen

分子工程學助理教授、這項新工作的資深作者楊碩龍說：”這確實強調了基礎科學如何能夠直接為工程應用提供新的思維方式。我們一開始的動機是了解這種材料的分子細節，最後發現它具有以前未被發現的特性，這使它非常有用。

在8月9日發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上的一篇論文中，楊及其同事展示了MnBi2Te4中的電子如何在兩種對立狀態之間競爭–一種是有助於編碼量子資訊的拓撲狀態，另一種是有助於光儲存的光敏狀態。

過去，人們一直在研究MnBi2Te4 作為磁性拓撲絕緣體（MTI）的前景，這種材料在內部表現得像絕緣體，但在外層卻能導電。對於二維極限的理想MTI，會出現一種量子現象，即電流沿著其邊緣以二維流的形式流動。這些所謂的”電子高速公路”具有編碼和攜帶量子資料的潛力。雖然科學家已經預測MnBi2Te4 應該能夠承載這樣一條電子高速公路，但這種材料卻很難在實驗中使用。

楊說：”我們最初的目標是了解為什麼在MnBi2Te4 中獲得這些拓撲特性如此困難。為什麼預言的物理特性不存在？”

為了回答這個問題，楊振寧的研究團隊採用了最先進的光譜學方法，讓他們能夠在超快的時間尺度上即時觀察錳鉍碲中電子的行為。他們使用了楊振寧實驗室開發的時間和角度分辨光發射光譜法，並與佛羅裡達大學的張曉曉研究小組合作，進行了時間分辨磁光克爾效應（MOKE）測量，從而觀察到了磁性。

“這種技術組合不僅為我們提供了電子如何運動的直接信息，還為我們提供了電子特性如何與光耦合的直接信息。”

當研究人員對光譜結果進行分析時，就清楚了為什麼MnBi2Te4 不能作為一種良好的拓撲材料。因為存在著一種準二維電子態，它正在與拓樸態爭奪電子。

“有一種完全不同的表面電子取代了原始的拓撲表面電子，”楊說。 “但事實證明，這種準二維態實際上具有一種不同的、非常有用的特性。”

第二種電子態具有磁性和外部光子之間的緊密耦合–這對於敏感的量子資料並無用處，但卻恰恰是高效光學記憶體的要求。

為了進一步探索MnBi2Te4 的這種潛在應用，楊的研究團隊目前正計劃進行實驗，利用雷射來操縱這種材料的特性。他們相信，使用MnBi2Te4 的光學記憶體的效率會比當今典型的電子儲存設備高出幾個數量級。

楊也指出，更了解MnBi2Te4 表面兩種電子狀態之間的平衡，可以提高其作為MTI 的能力，並在量子資料儲存中發揮作用。

他說：”也許我們可以學會調整理論上預測的原始狀態和這種新的準二維電子狀態之間的平衡。透過控制我們的合成條件，這也許是可能的。”

編譯自/ ScitechDaily