Международная группа ученых, объединившая усилия исследователей из России, Германии, Италии и Испании, совершила революционное открытие в области материалов для электроники. В ходе масштабного исследования ученые смогли управлять топологическими свойствами материалов путем изменения их состава. Это открывает новые возможности для создания материалов с уникальными электронными характеристиками. Результаты работы опубликованы в журнале Communications physics.
(Магнитные) топологические изоляторы ((М)ТИ) — это уникальные материалы, которые ведут себя как обычные изоляторы внутри, но на поверхности обладают необычными свойствами проводимости. Представьте себе материал, который одновременно является изолятором и проводником. Именно такие противоречивые свойства делают его крайне привлекательным для создания новых поколений электронных устройств.
Фазовые переходы, сопровождающиеся изменением топологии электронной структуры, называются топологическими фазовыми переходами (ТФП). Одним из примеров ТФП является переход между тривиальным (обыкновенным) и топологическим изоляторами. В этой работе ученым удалось продемонстрировать возможность такого перехода между двумя топологическими изоляторами путем изменения их состава.
Для этого исследования ученые рассматривали твердые растворы GexMn1-xBi2Te4, представляющие собой смесь двух магнитных топологических изоляторов — MnBi2Te4 и GeBi2Te4. Было обнаружено, что при изменении содержания германия (Ge) в материале, можно очень точно контролировать величину запрещенной зоны — энергетического «пробела» между заполненными и незаполненными электронными состояниями. Запрещенная зона — своеобразный энергетический барьер, который электроны должны преодолеть, чтобы начать двигаться.
«Понимание того, как управлять топологическими фазовыми переходами в магнитных топологических изоляторах, является важным шагом на пути к созданию новых топологических материалов с заданными свойствами», — говорит Александр Фролов, руководитель исследования, заведующий лабораторией фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ.
Исследование также показало, что при определенной концентрации германия в материале возникает бесщелевое состояние, в котором отсутствует запрещенная зона. Ученые предложили модель электронной структуры этого состояния, учитывающую влияние магнитного упорядочения.
Рисунок. Электронная структура топологических изоляторов GexMn1-xBi2Te4, измеренная методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) в зависимости от содержания германия х.
Верхний ряд показывает энергетическую зависимость электронных состояний вдоль определенного направления в кристалле. На графиках отмечены различные типы электронных состояний: поверхностные состояния (SS), зона проводимости (CB), валентная зона (VB) и другие. Черные пунктирные линии указывают на границы энергетических зон. Средний и нижний ряд представляют собой карты распределения электронов в пространстве импульсов при фиксированной энергии. Все измерения проводились при температуре 15 К с использованием излучения с энергией 21,2 эВ. Источник: Communications physics
В работе исследователи использовали современные методы изучения материалов. В частности, фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES). Этот метод позволяет проводить прямое наблюдение зонной структуры материалов.
«Анализ электронной структуры материала показал, что топологический фазовый переход происходит из-за изменения орбитального вклада различных элементов в химические связи. Это, в свою очередь, приводит к модуляции эффективного спин-орбитального взаимодействия (SOC). Именно это взаимодействие во многом определяет топологические свойства материалов», — добавляет Александр Фролов.
Полученные результаты открывают ряд возможностей для разработки материалов с новыми топологическими свойствами. Это может привести к созданию принципиально новых электронных устройств с уникальной функциональностью. Например, сверхэффективных электронных компонент и следующего поколения высокочувствительных датчиков.
В работе, кроме ученых Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, МИСИС, СПбГУ, ИФП СО РАН им. А. В. Ржанова и МГУ, принимали участие их коллеги из Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Германия), Международного физического центра Доностия (Испания) и Синхротронной лаборатории ELEETTRA (Италия).
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (гранты 22-72-10074 и 23-72-30004).
