芝加哥大学在利用MnBi2Te4开发光存储器方面取得了长足进步

芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员在开发一种新型光学存储器方面取得了意想不到的进展，这种存储器可以快速、节能地存储和访问计算数据。在研究一种由锰、铋和碲（MnBi2Te4）组成的复杂材料时，研究人员意识到这种材料的磁性能在光的作用下迅速而轻松地发生变化。这意味着可以用激光在 MnBi2Te4 的磁性状态中编码信息。

芝加哥大学普利兹克分子工程学院杨实验室的研究人员在开发一种新型光学存储器方面取得了意想不到的进展，这种存储器可以快速、节能地存储和访问计算数据。

分子工程学助理教授、这项新工作的资深作者杨硕龙说："这确实强调了基础科学如何能够直接为工程应用提供新的思维方式。我们一开始的动机是了解这种材料的分子细节，最后发现它具有以前未被发现的特性，这使它非常有用。"

在8月9日发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的一篇论文中，杨及其同事展示了MnBi2Te4中的电子如何在两种对立状态之间竞争--一种是有助于编码量子信息的拓扑状态，另一种是有助于光存储的光敏状态。

过去，人们一直在研究 MnBi2Te4 作为磁性拓扑绝缘体（MTI）的前景，这种材料在内部表现得像绝缘体，但在外层却能导电。对于二维极限的理想 MTI，会出现一种量子现象，即电流沿着其边缘以二维流的形式流动。这些所谓的"电子高速公路"具有编码和携带量子数据的潜力。虽然科学家们已经预测 MnBi2Te4 应该能够承载这样一条电子高速公路，但这种材料却很难在实验中使用。

杨说："我们最初的目标是了解为什么在 MnBi2Te4 中获得这些拓扑特性如此困难。为什么预言的物理特性不存在？"

为了回答这个问题，杨振宁的研究小组采用了最先进的光谱学方法，让他们能够在超快的时间尺度上实时观察锰铋碲中电子的行为。他们使用了杨振宁实验室开发的时间和角度分辨光发射光谱法，并与佛罗里达大学的张晓晓研究小组合作，进行了时间分辨磁光克尔效应（MOKE）测量，从而观察到了磁性。

"这种技术组合不仅为我们提供了电子如何运动的直接信息，还为我们提供了电子特性如何与光耦合的直接信息。"

当研究人员对光谱结果进行分析时，就清楚了为什么 MnBi2Te4 不能作为一种良好的拓扑材料。因为存在一种准二维电子态，它正在与拓扑态争夺电子。

"有一种完全不同的表面电子取代了原来的拓扑表面电子，"杨说。"但事实证明，这种准二维态实际上具有一种不同的、非常有用的特性。"

第二种电子态具有磁性和外部光子之间的紧密耦合--这对于敏感的量子数据并无用处，但却恰恰是高效光学存储器的要求。

为了进一步探索 MnBi2Te4 的这一潜在应用，杨的研究小组目前正计划进行实验，利用激光来操纵这种材料的特性。他们相信，使用 MnBi2Te4 的光学存储器的效率会比当今典型的电子存储设备高出几个数量级。

杨还指出，更好地了解 MnBi2Te4 表面两种电子状态之间的平衡，可以提高其作为 MTI 的能力，并在量子数据存储中发挥作用。

他说："也许我们可以学会调整理论上预测的原始状态和这种新的准二维电子状态之间的平衡。通过控制我们的合成条件，这也许是可能的。"