在芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的研究人员最近取得了突破性进展，他们在研究一种由锰、铋和碲（MnBi2Te4）组成的复杂材料时，意外发现了这种材料在光照下能快速且轻松地改变其磁性质。这意味着激光可以被用来在MnBi2Te4的磁态中编码信息。助理教授兼该研究的高级作者杨硕龙表示：“这充分证明了基础科学如何直接启发新的工程应用思维。我们从了解这种材料的分子细节出发，最终发现了它具有之前未被发现的、非常有用的性质。”

该研究成果发表在《科学进展》上显示，MnBi2Te4中的电子在两种对立状态之间竞争——一种是对量子信息编码有用的拓扑状态，另一种是对光存储有用的光敏状态。

MnBi2Te4过去一直被研究用作磁性拓扑绝缘体（MTI），这种材料在内部表现为绝缘体，但在外表面上可以导电。在二维极限下的理想MTI中，会出现一个量子现象，电流在其边缘以二维流动。这种所谓的“电子高速公路”有潜力编码并携带量子数据。

但是，MnBi2Te4的实验操作一直比较困难。杨硕龙表示：“我们最初的目标是要明白为什么很难在MnBi2Te4上实现这些拓扑性质。” 为了回答这个问题，杨的团队采用了最先进的光谱学方法，在超快时间尺度上实时观察MnBi2Te4中电子的行为。

当研究者们分析了光谱学结果后，很明显MnBi2Te4之所以不表现为良好的拓扑材料，是因为存在一种准2D电子状态，与拓扑状态争夺电子。

然而，这种准2D状态实际上有着另一种非常有用的特性，即它将磁性与外部光子（即光）紧密耦合——这对于敏感的量子数据而言不是很有用，但却完全符合高效光存储的要求。

为了进一步探索MnBi2Te4的潜在应用，杨的团队现在正在规划使用激光来操纵材料性质的实验。他们相信，使用MnBi2Te4的光存储可能比今天的典型电子存储设备高效数倍。

杨还指出，更好地理解MnBi2Te4表面的两种电子状态之间的平衡，可以增强其作为MTI的能力，并在量子数据存储中发挥用处。“我们或许可以学会调节原始的、理论预测状态和这种新的准2D电子状态之间的平衡，通过控制我们的合成条件可能实现这一点。”

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