КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-72-10074

НазваниеСобственные магнитные топологические изоляторы для устройств на основе квантового аномального эффекта Холла и фермионов Майорана

РуководительФролов Александр Сергеевич,

Прежний руководитель Климовских Илья Игоревич, дата замены: 15.09.2023

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-203 - Поверхность и тонкие пленки

Ключевые словаТопологический изолятор, поверхностные состояния, ферромагнетизм, антиферромагнетизм, сверхпроводимость, дефекты, эффект близости, фермион Майораны

Код ГРНТИ29.19.24

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из актуальных тем современной физики является изучение топологически нетривиальных систем и их применения для устройств пост-кремниевой электроники. Основной задачей данного проекта является экспериментальное и теоретическое исследование атомной, электронной и спиновой структур систем типа (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m с добавлением атомов Sb для применения их в устройствах наноэлектроники, спинтроники и квантовых компьютеров. Данная серия материалов является непосредственным продолжением недавно открытых антиферромагнитных топологических изоляторов типа MnBi2Te4. Ожидается, что в данных упорядоченных квантовых системах формируются оптимальные условия для реализации квантового аномального эффекта Холла (КАЭХ), топологического магнито-электрического эффекта при повышенных температурах, а также фермионов Майорана и фаз аксионного изолятора и изоляторов Черна. В связи с этим, второй задачей проекта является изучение сверхпроводящего эффекта близости в системах (Mn(Bi,Sb)2Te4)((Bi,Sb)2Te3)m при контакте со сверхпроводником, с целью создания топологической сверхпроводимости и поиска фермионов Майорана. В топологических изоляторах инверсия зон объемных состояний приводит к наличию устойчивых поверхностных состояний. Намагниченность может привести к открытию щели в спектре поверхностных состояний, которая наблюдается с помощью фотоэлектронной спектроскопии. В этом случае в системе реализуется квантовый аномальный эффект Холла, который представляет интерес для создания новых устройств. Однако, важной проблемой для практических приложения является существенная пространственная неоднородность магнитной щели на поверхности магнитного топологического изолятора. В проекте мы изучим какие факторы влияют на пространственное распределение магнитной щели. В процессе роста кристалла возникают разные типы дефектов, которые неравномерно рассредоточены в образце, помимо этого на поверхность могут выходить различные типы террас. Мы планируем экспериментально и теоретически изучить каким образом различные типы дефектов, стехиометрия образцов, строение поверхности и тип магнетизма влияют на магнитную щель. Для этой цели мы собираемся провести комбинированные исследования с помощью фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешениями вместе с локальными зондовыми исследованиями с помощью магнитосиловой микроскопии и сканирующей туннельной микроскопии. Полученные результаты позволят понять оптимальные условия для реализации квантового аномального эффекта Холла. Кроме того, мы планируем создать и изучить сверхпроводящую гетероструктуру сверхпроводник/ магнитный топологический изолятор в которой из-за эффекта близости сверхпроводимость наводится на поверхностные состояния. В этом случае, краевые состояния становятся майорановскими, что вызывает существенный интерес для фундаментальной науки в связи с возможным применением таких состояний в квантовых вычислениях. Заявленные результаты находятся на переднем крае современных исследований магнитных топологических изоляторов и топологической сверхпроводимости, в которые существенный вклад вносят участники данного проекта. Достижение результатов позволит существенно продвинуть технологии электроники и спинтроники в России.

Ожидаемые результаты
В проекте будут достигнуты следующие результаты: - Будут изучены свойства магнитной щели в поверхностных состояниях магнитных топологических изоляторов (MTI) (Mn(Bi,Sb)2Te4)((Bi,Sb)2Te3)m. Вариация стехиометрии (концентрация атомов Sb и параметр m) позволит изменять положение точки Дирака относительно уровня Ферми, тип и температуру магнитного упорядочения, тип террас выходящих на поверхность образца. Исследование состоит из комбинированных фотоэлектронных и локальных зондовых исследований образцов. Фотоэлектронная спектроскопия с угловым, спиновым а также пространственным разрешением позволит определить дисперсионные зависимости топологических состояний и наличие/размер обменной запрещенной зоны в точке Дирака, спиновую текстуру конуса Дирака. Локальные зондовые исследования состоят из исследований локального распределения магнитного поля с помощью МФМ, определения строения и структуры дефектов на поверхности образца с помощью СТМ и измерения распределения электронной плотности с помощью СТС. Будет установлено, каким образом различные дефекты поверхности, стехиометрия образцов, тип магнетизма, тип поверхности влияют на величину и распределение магнитной щели. Полученные результаты будут сравнены с теоретическими расчетами. Значимость полученного результата: Полученные данные позволят понять оптимальные условия для реализации квантового аномального эффекта Холла при высоких температурах. Это откроет новые возможности для построение принципиально новых устройств электроники и спинтроники на основе магнитных топологических изоляторов. - Будет синтезирована и изучена гетероструктура SC/MTI, где в качестве сверхпроводника SC выступает тонкая пленка свинца или ниобия. Для этого отдельно для фотоэлектронных и зондовых исследований в камере подготовки будет производится эпитаксиальный рост сверхпроводника на поверхности магнитного топологического изолятора. Измерения фотоэлектронной спектроскопии и СТС при сверхнизких температурах позволят выявить наличие сверхпроводимости на интерфейсе, и наведенного эффекта близости, т.е. сверхпроводимости в топологических состояниях. Будет определено как температура сверхпроводимости зависит от толщины и структуры пленки. Полученные результаты будут сравнены с теоретическими расчетами. Значимость полученного результата: Полученная гетероструктура представляет значительный интерес как платформа для реализации майорановских состояний. В дальнейшем такая структура может быть использована в качестве элемента для квантовых вычислений.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведено масштабное исследование электронной, магнитной, атомной структуры магнитных топологических изоляторов нового типа (Mn1-x(Sn,Ge, Pbx)Bi2Te4, т.е. с замещением атомов Mn атомами Sn,Ge или Pb. Электронная структура была изучена экспериментально, методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и теоретически методом теории функционала плотности. Объемная магнитная структура изучалась при помощи СКВИД магнетометра, атомная структура поверхности при сверхнизких температурах изучалась при помощи СТМ. Получен ряд уникальных результатов, в том числе показаны топологические фазовые переходы при увеличении концентрации замещающего элемента, а также возможность реализации фазы полуметалла Вейля при некоторых концентрациях Sn, Ge или Pb. Синтезирована и исследована гетероструктура 2D топологический изолятор/магнитный топологический изолятор, а именно "бислой" висмута на поверхности систем типа (MnBi2Te4)(Bi2Te3)m. Хорошо известно, что пленка висмута толщиной в 2 атомных слоя (бислой висмута) является 2D топологическим изолятором, и характеризуется 1D краевыми топологическими состояниями и квантовым спиновым эффектом Холла. В рамках работы по проекту были отработаны детали синтеза ультратонких пленок Bi на поверхности магнитных топологических изоляторов MnBi2Te4 и MnBi6Te10. Методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и дифракции медленных электронов продемонстрирован эпитаксиальный механизм роста. Исследования фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением показали сохранение конуса Дирака MnBi2Te4 при напылении Bi, а также гибридизацию электронных состояний Bi и MnBi2Te4 для пленки толщиной в 2 атомных слоя. (Рис.2 в Приложении) Проведены DFT расчеты гетероструктуры, и показано что взаимодействие топологических состояний приводит к намагниченности краевых состояний Bi, что может быть использовано для переключения чисел Черна в системе. Методом фотоэлектронной дифракции (XRD) изучены топологические изоляторы типа Sb2(Te1-xSex)3. Выявлено, что данные XPD вакуумного скола объемных кристаллов смешанных халькогенидов Sb2(Te1-xSex)3 прекрасно согласуются с данными, полученными с помощью HAADF-STEM / EDX, который используется в работе в качестве эталонного метода для исследования заселенности позиций. Также, оба метода лучше подходят для описания заселенности смешанных кристаллов, чем более распространенный в настоящее время порошковый XRD с уточнением по Ритвельду, который имеет неопределенность, связанную с трудноразделимыми вкладами параметров заселенности позиций и атомных смещений. Кроме того, определено, что заселенность анионной подрешетки вблизи естественно сформированной поверхности может сильно отличаться от заселенности в объеме. При помощи сканирующей туннельной микроскопии изучен ряд поверхностей магнитных топологических изоляторов, с целью определения концентрации и типа точечных дефектов. Недавно было показано что наличие точечных дефектов на поверхности МТИ оказывает решающее значение на формирование обменной запрещенной зоны, необходимой для реализации квантового аномального эффекта Холла. В рамках работы по проекту была изучена поверхность системы MnBi4Te7, состоящей из поверхностных терминирований двух типов – Bi2Te3 (QL) и MnBi2Te4(SL). Было обнаружено, что на поверхности типа QL преобладают точечные дефекты донорного типа – вакансии в слоях атомов теллура VTe1, VTe3, VTe5, где индекс обозначает номер атомного слоя, начиная с поверхностного. Причём, концентрация VTe3 заметно выше, чем двух других типов дефектов. На поверхности, терминированной SL наблюдается высокая концентрация точечных дефектов, в большинстве случаев затрудняющая их идентификацию. Исследовано влияние беспорядка на свойства поверхностных состояний топологического изолятора с конечной намагниченностью. Влияние случайных точечных магнитных и скалярных возмущений исследуется в рамках борновского приближения высокого порядка. Продольная и холловская проводимости учитываются в формулах Бастина-Кубо-Штреды с вершинными поправками. Мы сравниваем прямое суммирование ряда Борна для собственной энергии с аналитическими результатами решения с помощью самосогласованного приближения (SCBA) для произвольных значений силы беспорядка. Мы обнаружили, что беспорядок уменьшает щель, индуцированную намагничиванием, и приводит систему к режиму аномального эффекта Холла. При малом беспорядке плотность состояний обращается в нуль в точке Дирака, а ряд Борна для собственной энергии монотонно сходится к одной ветви решения SCBA. Для больших беспорядков холловская проводимость уменьшается с увеличением беспорядка. Произведено сравнение результатов с экспериментальными данными.

 

Публикации

1. Владимирова Н.В., Фролов А.С., Санчез-Баррига Х., Кларк О.Д., Матсуи Ф., Усачев Д.Ю., Мунтвилер М., Калаерт К., Хадерман Ж., Неудачина В.С., Тамм М.Е., Яшина Л.В. Occupancy of lattice positions probed by X-ray photoelectron diffraction: A case study of tetradymite topological insulators Surfaces and interfaces, 36, 102516 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.102516

2. Тарасов А.В., Макарова Т.П., Естюнин Д.А., Ерыженков А.В., Климовских И.И., Голяшов В.А., Кох К.А., Терещенко О.Е., Шикин А.М. Topological Phase Transitions Driven by Sn Doping in (Mn1−xSnx)Bi2Te4 Symmetry, 15, 469 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/sym15020469