Коллектив физиков из МФТИ и МГУ в составе международной команды обнаружил, что на поверхности слоистых топологических изоляторов GeBi₄Te₇ и MnBi₄Te₇ возникает встроенное электрическое поле — следствие перераспределения заряда между разными слоями кристалла из-за атомных дефектов. Работа опубликована в журнале Communications Materials. Исследование поддержано Российским научным фондом (гранты № 22-72-10074 и № 23-72-00020) и Министерством науки и высшего образования РФ (грант № 075-15-2025-010).
Топологические изоляторы — один из самых интригующих классов материалов последних двух десятилетий. Внутри они не проводят ток, как и положено изолятору, зато по их поверхности бежит особый «топологический» металлический ток. Эти поверхностные состояния защищены симметрией и устойчивы к примесям и дефектам — за такими электронами охотятся в спинтронике и квантовых вычислениях.
Электроны в этих состояниях ведут себя как безмассовые релятивистские частицы, а их энергетический спектр имеет форму конуса — так называемого конуса Дирака. Положение вершины этого конуса по энергии задает свойства поверхности.
Герои работы — слоистые кристаллы GeBi₄Te₇ и MnBi₄Te₇ из семейства 147. Их удобно представить как «слойку»: кристалл собран из чередующихся блоков двух сортов — пятислойных (QL, типа Bi₂Te₃) и семислойных (SL, типа GeBi₂Te₄), скрепленных слабыми вандерваальсовыми связями.
При раскалывании такого кристалла наружу может выйти либо QL-, либо SL-блок. Оказалось, что от того, какой именно блок оказался сверху, заметно зависят электронные свойства поверхности.
Физики из МФТИ и МГУ вместе с коллегами решили разобраться, чем именно различаются два типа поверхности и что за этим стоит. Чтобы увидеть картину целиком, они объединили несколько мощных методов.
Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) позволила напрямую «сфотографировать» конусы Дирака и измерить их положение по энергии. Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия (СТМ/СТС) дала атомарное разрешение поверхности и измерила работу выхода — энергию, которую нужно затратить, чтобы вырвать из материала электрон. А расчеты из первых принципов связали наблюдения с атомным строением кристалла.
ARPES показал главное: у каждого типа поверхности — свой набор топологических состояний, и вершины их конусов Дирака сдвинуты друг относительно друга примерно на 160 мэВ. Сдвиг идеально воспроизводился от образца к образцу и от скола к сколу.
Оказалось, что работа выхода у двух поверхностей различается примерно на 330 мэВ — около 4,88 эВ для QL- и 4,55 эВ для SL-окончания. Это прямое свидетельство «изгиба зон» и встроенного поля у поверхности.
В семислойных блоках атомы германия и висмута охотно меняются местами — возникают так называемые антиструктурные дефекты, и такие блоки становятся донорами, отдающими лишние электроны. Пятислойные блоки, напротив, ведут себя как акцепторы. Чтобы система пришла в равновесие и выровняла уровень Ферми, заряд перетекает между блоками. Так возникает встроенное поле.
Воспроизвести в расчетах наблюдаемый сдвиг на 160 мэВ удалось только тогда, когда в модель заложили реальный состав кристалла с дефектами, а не идеальную форму.
Александр Фролов, заведующий лабораторией фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ, прокомментировал: «Мы привыкли считать поверхность топологического изолятора однородной. Но оказалось, что у одного и того же кристалла разные участки поверхности — там, где наружу выходят разные слои,— заметно отличаются по электронным свойствам. Причина — крошечные атомные дефекты, из-за которых заряд перетекает между слоями и создает внутри кристалла встроенное поле. И, что особенно ценно, этим сдвигом можно управлять, меняя дефектность при росте кристалла».
Чтобы проверить, не единичный ли это случай, команда исследовала и магнитный топологический изолятор MnBi₄Te₇ — и обнаружила то же самое: разные поверхности различаются работой выхода, а внутри прячется встроенное поле. По мнению авторов, механизм универсален для всего семейства 147 и шире — для вандерваальсовых гетероструктур из QL- и SL-блоков, ведь семислойные блоки по своей природе склонны к дефектам и обычно сильно «донорные».
Практический смысл в том, что энергетический сдвиг поверхностных состояний можно использовать как дополнительную «ручку настройки» электронных свойств поверхности, управляя дефектами при выращивании кристалла. Положение уровня Ферми и импульс электронов на нем определяют, как поверхность проводит ток.
Возможность создавать на поверхности одного кристалла области с разным потенциалом важна для приборов будущего — в топотронике, спинтронике и квантовых вычислениях.
Лада Яшина, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ, добавила: «Важно, что это не особенность одного соединения. Тот же эффект мы увидели в магнитном MnBi₄Te₇, и есть все основания считать его общим для целого семейства слоистых материалов. По сути, граница между двумя типами слоев работает как встроенный p–n переход. Понимание этого механизма дает принцип проектирования низкоразмерных гетероструктур».
Авторы рассматривают обнаруженный механизм как общий принцип для целого класса слоистых материалов. Его необходимо учитывать при проектировании поверхностей и интерфейсов с заданными электронными свойствами, особенно там, где важно управлять положением топологических поверхностных состояний, работой выхода и локальным потенциалом.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ: «Главный результат этой работы в том, что мы увидели в топологическом изоляторе не просто разные типы поверхности, а естественно сформированную наномасштабную гетероструктуру с собственным электрическим полем. Обычно атомные дефекты воспринимаются как помеха, но здесь они становятся инструментом управления: меняя состав и дефектность слоев при росте кристалла, можно сдвигать топологические поверхностные состояния и настраивать электронный транспорт. Это дает новый принцип проектирования материалов для топотроники, спинтроники и будущих квантовых устройств, когда нужный потенциал создается самой кристаллической структурой».
Научная статья: A. S. Frolov, A. V. Fedorov, V. V. Voroshnin et al. Built-in electric field and its origin at the (111)R surface of topological insulators GeBi₄Te₇ and MnBi₄Te₇ // Communications Materials, 2026. DOI: 10.1038/s43246-026-01162-5.
Кроме научных сотрудников Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ в работе принимали участие их коллеги из МГУ им. М. В. Ломоносова, Сколтеха, ВШЭ, Санкт-Петербургского государственного университета, Международного физического центра Доностии (Испания), Берлинского центра материалов и энергии имени Гельмгольца (Германия), ELETTRA (Италия), Кольского научного центра РАН, Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, Синхротронного источника излучения СКИФ Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, Центра квантовой физики Пекинского технологического института (Китай).
Исследование поддержано Российским научным фондом (гранты № 22-72-10074 и № 23-72-00020) и Министерством науки и высшего образования РФ (грант № 075-15-2025-010).
