Новые синтетические слоистые магнитные топологические системы с реализацией концепции поверхностного топологического фазового перехода с контролируемой модуляцией электронной структуры и физико-химических свойств для использования в квантовых технологиях

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 проекта 23-12-00016

НазваниеНовые синтетические слоистые магнитные топологические системы с реализацией концепции поверхностного топологического фазового перехода с контролируемой модуляцией электронной структуры и физико-химических свойств для использования в квантовых технологиях

Руководитель Шикин Александр Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Магнитные топологические материалы, топологические изоляторы, топологический фазовый переход, электронная структура, спин-орбитальное и обменное взаимодействие, спинтроника

Код ГРНТИ29.19.24

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание и изучение новых синтетических слоистых магнитных топологических систем на основе топологических изоляторов и графена (в том числе магнитно-спин-орбитального топологического графена) с возможностью широкой контролируемой модификации их электронной структуры и поверхностных физико-химических свойств за счет реализации концепции объемного и поверхностного топологического фазового перехода (ТФП) (между топологической и тривиальной фазой, а также между топологическими фазами, характеризующимися различным топологическим инвариантом) для использования в квантовых технологиях. В качестве объектов исследования выбраны системы на основе антиферромагнитного топологического изолятора (ТИ) MnBi2Te4 (с уникальными топологическими свойствами) с использованием контролируемого замещения различного типа атомов в первом поверхностном семислойнике за счет: а) частичного целенаправленного замещения атомов с большим атомным спин-орбитальным (СО) взаимодействием (Te и Bi) на атомы с меньшим атомным СО взаимодействием (Se, S, Sb, Mn), как в объеме ТИ, так и исключительно в первом поверхностном семислойнике с реализацией поверхностного ТФП, что обеспечивает возможность значительной модификации электронной структуры и свойств формируемых систем. При реализации поверхностного ТФП граница между топологической и тривиальной фазой сдвигается от границы между кристаллом и вакуумом в область между первым и вторым семислойником, т.е. в область локализации топологических поверхностных состояний. Это позволит в широких пределах изменять электронную структуру топологических поверхностных состояний, а также изменять электрофизические, магнитные и транспортные свойств формируемых систем (от топологического до тривиального состояния) с сохранением общих топологических свойств объема. б) частичного целенаправленного замещения части атомов переходного магнитного металла (Mn) на атомы немагнитных элементов (Ge,Sn,Pb,Si,Sb,Bi) и других магнитных металлов (Gd, Eu) как в объеме ТИ, так и исключительно в первом поверхностном семислойнике с реализацией и анализом ТФП (как объемного, так и поверхностного), но уже не с переходом между топологическим и тривиальным состоянием, а с переходом между топологическими состояниями, характеризующимися различным топологическим инвариантом. Существенное внимание в рамках выполнения проекта будет также направлено на создание и изучение аналогичных синтетических слоистых систем на основе монослоев графена, магнитных металлов и металлов с высоким атомным спин-орбитальным взаимодействием с анализом перехода между тривиальной и топологической фазой и изменением типа магнитных взаимодействий в таких системах. Задачи, поставленные в рамках проекта, будут решаться комплексно, как с использованием результатов расчетов электронной структуры создаваемых новых синтетических слоистых магнитных топологических систем на основе топологических изоляторов и графена, так и путем экспериментального изучения формируемых систем, их электронной структуры, а также магнитных и транспортных свойств. Изучаемые слоистые структуры с модифицированным поверхностным слоем (семислойником) с заменой в данном поверхностном слое атомов элементов с высоким СО взаимодействием на атомы с низким атомным номером, а также атомов магнитных металлов на атомы немагнитных элементов с наноразмерными и атомными толщинами будут синтезироваться путем атомного наслаивания на подложках магнитных ТИ. Синтез систем, характеризующихся ТФП объемного типа, будет осуществлен модифицированным методом Бриджмена. Синтез систем на основе графена будет производиться методом химического парофазного осаждения на различных подложках, а также методом термической графитизации с последующей интеркаляцией под графен монослоев атомов магнитных металлов и металлов с высоким атомным СО взаимодействием.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Естюнина Т.П., Шикин А.М., Естюнин Д.А., Ерыженков А.В., Климовских И.И., Бокай К.А., Голяшов В.А., Кох К.А., Терещенко О.Е., Кумар Ш., Шимада К., Тарасов А.В. Evolution of Mn1-xGexBi2Te4 electronic structure under variation of Ge content Nanomaterials, 13, no. 14, 2151 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13142151

2. Шикин А. М., Естюнина Т. П., Ерыженков А. В., Зайцев Н. Л., Тарасов А. В. Исследование взаимосвязи топологического фазового перехода, аксионо-подобного состояния и магнитоэлектрического эффекта в антиферромагнитном топологическом изоляторе MnBi2Te4 Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики (Journal of Experimental and Theoretical Physics), Том 165, вып.4, стр. 544-557 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024040096

3. Глазкова Д. А., Естюнин Д. А., Тарасов А. С., Косырев Н. Н., Комаров В. А., Патрин Г. С., Голяшов В. А., Терещенко О. Е., Кох К. А., Королёва А. В., Шикин А. М. Исследование поверхностного магнетизма в системах на основе MnBi2Te4 с использованием магнитооптического эффекта Керра Кристаллография (Crystallography Reports), Т. 69. - №1. - C. 105-110 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.31857/S0023476124010155

4. Гогина А. А., Рыбкина А. А., Тарасов А. В., Шикин А. М. и Рыбкин А. Г. Спин-поляризованные состояния в электронной структуре Pt(111) и графен/Pt(111) Кристаллография (Crystallography Reports), Т. 69. - №1. - C. 99-104 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.31857/S0023476124010143

5. Кумар Н., Ищенко Д.В. Милёхин И.А., Крылова Е.Д., Федосенко Е.В., Милёхин А.Г., Терещенко О.Е. Chemical Composition Dependent Raman Scattering Spectroscopy of MBE Grown Manganese - Based Bismuth Telluride Topological Insulator Thin Films Journal of Raman Spectroscopy, том 56, вып. 5, стр. 409-419 (год публикации - 2025)
10.1002/jrs.6779

6. Шикин А.М., Естюнин Д.А., Зайцев Н.Л., Естюнина Т.П., Ерыженков А.В., Рыбкин А.Г., Кох К.А., Терещенко О.Е., Ивата Т., Курода К., Миямото К., Окуда Т., Шимада К., Тарасов А.В. Spin texture tunability in Mn1−𝑥Ge𝑥Bi2Te4 through varying Ge concentration Physical Review B, том 111, вып. 11, стр. 115158 (год публикации - 2025)
10.1103/PhysRevB.111.115158

7. Естюнин Д.А., Естюнина Т.П., Климовских И.И., Бокай К.А., Голяшов В.А., Кох К.А., Терещенко О.Е., Идета С., Мияй И., Кумар И., Ивата Т., Коса Т., Окуда Т., Миямото К., Курода К., Шимада К., Шикин А.М. Electronic structure of (Mn1−xPbx)Bi2Te4: Experimental evidence of topological phase transition Physical Review Research, том 7, вып. 2, стр. 023168 (год публикации - 2025)
10.1103/PhysRevResearch.7.023168

8. Кумар Н., Кесари С., Крылова С.Н., Рао Р., Суровцев Н.В., Ищенко Д.В., Пряничников С.В., Говоркова Т.Е., Бобин С.В., Лончаков А.Т., Голяшов В.А., Терещенко О.Е. Structural phase transition in crystalline HgSe: Low-temperature and high-pressure Raman spectroscopic investigation Journal of Physics and Chemistry of Solids, том 207, стр. 112977 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jpcs.2025.112977

9. Тарасов А.В., Естюнин Д.А., Рыбкин А.Г., Фролов А.С., Сергеев А.И., Ерыженков А.В., Анферова В.В., Естюнина Т.П., Глазкова Д.А., Кох К.А., Голяшов В.А., Терещенко О.Е., Идета С., Мияи И., Кумар И., Шимада К., Шикин А.М. Probing the Interaction Between Topological and Rashba-like Surface States in MnBi2Te4 Through Sn Doping Physical Review B, том 111, вып. 16, стр. 165115 (год публикации - 2025)
10.1103/PhysRevB.111.165115

10. Ковалева Н.Н., Чвостова Д., Муратов А.В., Фурсова Т.Н., Божко С.И., Алещенко Ю.А., Дейнека А., Кугел К.И., Ищенко Д.В., Терещенко О.Е. Electronic band structure vs intrinsic antisite doping in the MBE grown films MnTeBi(2-x)Te3(1-x2) (0<x<2): Evidence from spectroscopic ellipsometry and infrared studies Applied Physics Letters, Appl. Phys. Lett. 125, 000000 (2024); doi: 10.1063/5.0238665 (год публикации - 2024)
10.1063/5.0238665

11. Естюнина Т. П., Тарасов А. В., Ерыженков А. В., Естюнин Д. А., Шикин А. М. Модификация топологических поверхностных состояний в новых синтетических топологических системах Mn1−xAxBi2Te4/MnBi2Te4 (A=Si, Ge, Sn, Pb) Письма в ЖЭТФ, том 119, вып. 6, с. 439 – 445 (год публикации - 2024)
10.31857/S1234567824060065

12. Шикин А.М., Зайцев Н.Л., Естюнина Т.П., Естюнин Д.А., Рыбкин А.Г., Глазкова Д.А., Климовских И.И., Ерыженков А.В., Кох К.А., Голяшов В.А., Терещенко О.Е., Идета С., Мияй И., Кумар Ю., Ивата Т., Коса Т., Курода К., Шимада К., Тарасов А.В. Phase transitions, Dirac and Weyl semimetal states in Mn1−xGexBi2Te4 Scientific Reports, том 15, вып. 1, стр. 1741 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1038/s41598-024-73267-1

13. Рыбкин А.Г., Тарасов А.В., Рыбкина А.А., Ворошнин В., Естюнин Д.А., Усачев Д.Ю., Петухов А.Е., Пудиков Д.А., Ерыженков А.В., Климовских И.И., Санчес-Баррига Х., Варыхалов А., Кумар И., Кумар Ш., Ивата Т., Курода К., Миямото К., Окуда И., Шимада К., Фролов А., Столяров В., Шикин А.М. Emergent Dirac fermions in graphene and underlying Au monolayer with two-dimensional ferrimagnetism Nanoscale, том 17, стр. 21706-21716 (год публикации - 2025)
10.1039/D5NR01969A

14. Шикин А.М., Зайцев Н.Л., Ерыженков А.В., Макеев Р.В., Естюнина Т.П., Естюнин Д.А., Тарасов А.В. Topological phase control in Mn1−𝑥Ge𝑥Bi2Te4 via spin–orbit coupling and magnetic configuration engineering Journal of Physics and Chemistry of Solids, том 208, стр. 113042 (год публикации - 2026)
10.1016/j.jpcs.2025.113042

15. Ищенко Д.В., Молодцова Е.Л., Супрун С.П., Кырова Е.Д., Федосенко Е.В., Терещенко О.Е. Effect of indium embedding on molecular-beam epitaxial growth of Pb1-xSnxTe Applied Physics Letters, том 127, вып. 10, стр. 103107 (год публикации - 2025)
10.1063/5.0280504

16. Анферова В.В., Шикин А.М., Тарасов А.В. Tuning the Electronic Properties at the Interface of Magnetic Topological Insulator MnBi2Te4 and a Layer of Au Atoms Physica B: Condensed Matter, том 718, стр. 417904 (год публикации - 2025)
10.1016/j.physb.2025.417904

17. Зверев В.Н., Абдуллаев Н.А., Алиев З.С., Амирасланов И.Р., Джахангирли З.А., Климовских И.И., Рыбкина А.А., Шикин A.M., Мамедов Н.Т. Низкотемпературный магнитотранспорт и магнитные свойства монокристаллов MnSb2Te4 Журнал экспериментальной и теоретической физики (год публикации - 2026)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведены теоретические расчеты и экспериментальные исследования изменений электронной структуры при частичной замене атомов Mn на атомы немагнитных элементов A = Pb, Sn и Ge в магнитных топологических материалах: (Mn1-xAx)Bi2Te4, (Mn1-xAx)(Bi1-ySby)2Te4. Для второго типа образцов исследовалась возможность дополнительного замещения атомов Bi на атомы Sb для достижения состояния компенсированного полупроводника, и исследования транспортных свойств топологический состояний вместе с исследованием их электронной структуры. Выявлено, что наиболее перспективными являются образцы с концентрацией атомов Sb около 30%, для которых точка Дирака локализована вблизи уровня Ферми. Для серии образцов (Mn1-xAx)Bi2Te4 проведен анализ возможности реализации топологического фазового перехода (ТФП) из фазы сильного топологического изолятора (ТИ) в фазу тривиального изолятора (полуметалла) для систем с антиферромагнитным (АФМ) и ферромагнитным (ФМ) типами упорядочения. Показано, что с ростом концентрации A величина объемной энергетической запрещенной зоны (ЭЗЗ) уменьшается и достигает минимума (нулевая ЭЗЗ) при концентрациях более 35-40%. В диапазоне концентраций 40–60% ЭЗЗ остаётся близкой к нулю. Выше 40% в электронной структуре также не наблюдаются топологические поверхностные состояния (ТПС). Таким образом при концентрациях вблизи 50% наблюдается ТФП. Предполагается, что материал переходит скорее в фазу полуметалла. Увеличение концентрации замещения более 70% приводит к открытию ЭЗЗ. Электронная структура при этом модифицируется и переходит к виду электронной структуры ТИ ABi2Te4 (A = Pb, Sn, Ge), легированного Mn. Результаты экспериментальных исследований согласуются с результатами теоретического анализа. Проведен анализ спиновой структуры Mn1-хAхBi2Te4 (А = Ge,Pb) при помощи теории функционала плотности и фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ФЭСУР) и спиновым разрешением. На основе расчетов показано наличие асимметрии спиновой поляризации Рашба-подобных состояний в зоне проводимости, различной в направлениях ГK и ГМ зоны Бриллюэна. Так наблюдается спиновая поляризация для компоненты спина Sz (перпендикулярно поверхности) вдоль направления –КГК с инверсией знака относительно Г-точки, и отсутствие Sz спиновой поляризации вдоль направления -MГМ. Данные результаты также подтверждаются экспериментом, в рамках которого было установлено, что Рашба-подобные состояния обладают ассиметричной спиновой поляризацией для проекции спина Sz и, дополнительно, для проекции спина Sy (вдоль поверхности, перпендикулярно волновому вектору) относительно Г-точки в направлении –КГК. Для соединения (Mn0.5Ge0.5)Bi2Te4 (область минимально объемной ЭЗЗ) при АФМ и ФМ упорядочении были исследованы изменения электронной структуры при ТФП в зависимости от параметров системы. Показано, что в случае ФМ упорядочения реализуется серия ТФП – из фазы ТИ в фазу тривиального изолятора через серию фаз «Дираковкий полуметалл - Вейлевский полуметалл - Дираковский полуметалл». В случае АФМ упорядочения наблюдается только один ТФП из фазы ТИ в тривиальную фазу. Методом СКВИД проведены экспериментальные исследования магнитных свойств топологических материалов при замещении одного из элементов: Mn(Bi1-ySby)2Te4 и (Mn1-хAх)Bi2Te4 (А = Sn, Pb). Установлено, что температура Нееля и поле спин-флоп перехода уменьшается с увеличением концентрации замещающих атомов как в случае замещения Mn, так и в случае замещения Bi. Однако при малых концентрациях атомов Sb и Pb данные магнитные параметры могут немного увеличиваться. Проведен теоретический анализ электронной структуры синтетических слоистых магнитных ТИ на основе MnBi2Te4, в котором частично были замещены атомы Mn на атомы немагнитных элементов (Sn. Pb, Ge, Si) в поверхностном семислойном пакете. Показано, что подобное замещение может быть использовано для создания синтетических слоистых топологических структур с контролируемой величиной ЭЗЗ в точке Дирака, при сохранении объемных свойств ТИ. Проведено исследование возможности синтеза тонких пленок ТИ MnBi2Te4 на подложке Bi2Te3/Si(111) методом молекулярно-лучевой эпитаксии с вариацией состава. Было показано, что изменение относительной концентраций Bi и Te в процессе синтеза может позволить контролировать электронную зонную структуру, ширину ЭЗЗ и положение уровня Ферми синтезируемых пленок. Проведены исследования систем на основе графена, синтезированного на поверхности Ir(111), с интеркалированными атомами Co и Au. Экспериментально изучены электронная и спиновая структуры, а также выполнены теоретические расчёты атомной и электронной структуры исследуемых систем. Показано, что атомы Co в данных системах характеризуются неколлинеарным ферримагнитным порядком. Помимо основного конуса Дирака π-состояний в графене, сильно гибридизованного с d-состояниями Co, в электронной структуре наблюдается мини-конус, характерный для упорядоченных (1x1) структур графен/Co(0001). Расчеты показали, что помимо спиновой поляризации графеновых π-состояний, мини-конус также является полностью спин-поляризованным. Экспериментальные исследования методом ФЭСУР со спиновым разрешением позволили определить спиновую поляризацию электронных Co d состояний вблизи уровня Ферми для двух проекций спина Sy (in–plane компонента) и Sz (out–of–plane компонента). Выявлена поляризация Co d состояний, свидетельствующая об in–plane намагниченности пленки Co под графеном. При этом имеется также ненулевая спиновая out–of–plane компонента спина. Спиновая Sy и Sz поляризация Co d состояний в эксперименте может объясняться как наличием магнитных доменов, так и наличием неколлинеарного магнитного порядка на атомах Co согласно ТФП расчётам. При интеркаляции атомов Au в системе графен/Au/Co/Ir(111) было показано, что сильно гибридизованный с d-состояниями Co графеновый конус Дирака восстанавливается, электронные состояния графена сдвигаются по энергии в сторону меньших энергий связи. При этом электронная структура графена приобретает квазисвободный характер с точкой Дирака вблизи уровня Ферми.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проанализированы изменения электронной структуры магнитных топологических материалов Mn(1-х)Ge(Sn,Pb)xBi2Te4 и Mn(Bi1-xSbx)2(Te1-ySey)4, при замещении магнитных атомов Mn на атомы Ge,Pb,Sn, атомов тяжелых элементов (Bi,Te) на более легкие (Sb, Se) и атомов Mn на атомы Fe. Проведен анализ зависимости изменений электронной структуры от величины спин-орбитального (СО) взаимодействия и от концентрации замещающих атомов. Проанализированы ТФП в данных системах. Показано, что для систем с исходным АФМ порядком при концентрации 50% Ge(Sn) реализуется ТФП от ТИ к тривиальному изолятору. ТФП характеризуется нулевой объемной энергетической запрещенной зоной (ЭЗЗ), а также инверсией Te pz и Bi pz состояний с противоположной чётностью на краях ЭЗЗ. Выявлено, что при увеличении концентрации Sn(Pb) в электронных спектрах появляются Рашба-подобные состояния, которые смещаются в сторону увеличения энергии связи и становятся преобладающими в ФЭ спектрах при концентрациях Sn(Pb) 40–60%. Выявлена внеплоскостная Sz спиновая поляризация Рашба-подобных состояний. При концентрациях замещения более 80% происходит переход к ТИ Sn(Pb)Bi₂Te₄ с формированием новых ТПС. Проведены исследования изменений электронной структуры систем (Mn1-xPbx)(Bi1-ySby)2Te4 с двойным замещением атомов Mn на Pb, а атомов Bi на Sb. Выявлено, что допирование Pb приводит к смещению точки Дирака в сторону увеличения энергии связи, а добавление Sb сдвигает её к уровню Ферми. Исследованы магнито-транспортные и магнитные свойства образцов ТИ МnSb2Tе4 с преобладанием либо АФМ, либо ФМ вкладов. Показано, что температура Кюри (Tc) существенно варьируется между образцами: для структур с максимальным вкладом ФМ упорядочения она достигает 40–45 К, а для образцов с АФМ вкладом составляет около 19 К. Тc возрастает по мере увеличения ФМ вклада. Исследование другими методиками анализа подтверждают наличие включений с ФМ упорядочением в MnSb₂Te₄, доля которых увеличивается с ростом концентрации дефектов замещения Mn/Sb. Проанализированы условия реализации ТФП в Mn₁₋ₓGeₓBi₂Te₄₋ySey с АФМ и ФМ упорядочением. Изучены особенности электронной и спиновой структуры формируемых топологических фаз, и их изменения при переходе из состояния ТИ в фазы Вейлевского и Дираковского полуметаллов при варьировании величин обменного и СО взаимодействий, а также при сжатии и растяжении кристаллической решётки. Показано, что для ФМ систем наблюдается последовательность ТФП: из ТИ в Вейлевский полуметалл через промежуточную Дираковскую фазу и далее в тривиальный изолятор. Для АФМ систем реализуется единственный ТФП из ТИ в тривиальный изолятор. Для систем MnBi₂Te₄ и Mn₁₋ₓGeₓBi₂Te₄ показано, что уменьшение магнитного момента на атомах Mn увеличивает расстояние между Вейлевскими точками. Замена Mn на Fe и варьирование СО взаимодействия в системах Mn₀․₆₂₅Ge₀․₃₇₅Bi₂Te₄ и Fe₀․₆₂₅Ge₀․₃₇₅Bi₂Te₄ позволяют оптимизировать параметры Вейлевской фазы для реализации аномального эффекта Холла. При этом замена атомов Te на Se обеспечивает естественную модуляцию СО взаимодействия и расширяет устойчивость Вейлевской фазы. Показано, что в АФМ системах при неэквивалентных Mn/Ge-замещениях в соседних слоях (~37%) также возможно формирование Вейлевской фазы за счёт появления локального нескомпенсированного магнитного момента, что представляет интерес для разработки новых спиновых устройств. Проведен анализ изменений электронной структуры при нанесении атомов элементов с высоким СО взаимодействием (Au) на поверхность ТИ MnBi₂Te₄ при различных конфигурациях и концентрациях адсорбированных атомов. Показано, что при увеличении концентрации Au формируются Рашба-подобные состояния с сильной внеплоскостной спиновой поляризацией, что сопровождается увеличением ЭЗЗ в ТПС. Определены условия, при которых слои Au на поверхности ТИ остаются стабильными и сохраняют характерную электронную структуру системы. Разработаны методики роста и технологии получения высококачественных тонких пленок MnBi2Te4 с контролируемой толщиной и стехиометрией методом МЛЭ и осуществлен их практический синтез в условиях сверхвысокого вакуума. Исследованы особенности синтеза методом МЛЭ для монокристаллических плёнок твёрдого раствора Pb1-xSnxTe, легированного индием, на подложках BaF2(111). Выявлено, что подвижность носителей заряда в эпитаксиальных слоях определяется скоростью внедрения индия в процессе роста. Установлено оптимальное соотношение между скоростью роста плёнки Pb1-xSnxTe и скоростью поступления индия, при котором достигаются наилучшие характеристики. Исследованы фазовые переходы в тонких слоях HgSe при низких температурах и высоком давлении. Изучены спектры фононных мод и их изменение под давлением в ходе структурных фазовых переходов, проведена их идентификация и изучена динамика фононов в температурном диапазоне от 10 до 295 К. Проанализирована модификация электронной структуры графена, синтезированного на поверхности монокристалла Ir(111), с интеркалированными атомами магнитного металла Co. Показано, что спиновая структура характеризуется преимущественно плоскостной компонентой (Sy) с некоторым вкладом внеплоскостной компоненты (Sz). Показано ферримагнитное упорядочение магнитных моментов атомов углерода. Установлено, что величина магнитных моментов атомов углерода связана с гибридизацией π-состояний графена с d-состояниями Co, что проявляется в соответствующем перераспределении спиновой плотности. Электронная структура графена с индуцированными СО и обменным взаимодействиями в данной системе характеризуется долинно-зависимой спиновой структурой. Это проявляется в асимметрии ширин локальных ЗЗ и величин спинового расщепления гибридизированных состояний C 2p и Co 3d в точках K и K’ первой зоны Бриллюэна графена. Проведен анализ электронной структуры графена с интеркалированным монослоем Au на подложке монокристалла Co(0001). Обнаружены спектроскопические особенности, обусловленные двумерным ферримагнитным упорядочением в графене и нижележащем монослое золота. Обнаружено наличие магнитной ЗЗ в электронной структуре графена при его намагничивании в направлении, перпендикулярном поверхности, что необходимо для реализации квантового аномального эффекта Холла в графене. Выявлены спин-поляризованные состояния с конической дисперсией в Г точке вблизи уровня Ферми. Полученные в работе экспериментальные параметры СО и магнитного обменного взаимодействий: спиновое расщепление ~100 мэВ и обменное расщепление ~50 мэВ с формированием топологической запрещенной зоны в графене ~40 мэВ дают возможность для реализации квантового аномального эффекта Холла в графене вплоть до комнатной температуры. Неэквивалентное ферримагнитное упорядочение на двух подрешетках графена обуславливает возможность реализации эффекта Холла циркулярного дихроизма и его использовании в детекторах циркулярной поляризации в среднем ИК диапазоне.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта, с одной стороны, обеспечивают получение и расширение необходимых фундаментальных знаний о новых топологических системам с уникальными свойствами, находящихся на передовой линий исследований мировой науки, а с другой стороны обеспечивают создание конкретных топологических материалов с контролируемой вариацией их свойств и детальный анализ особенностей их электронной и спиновой структуры, а также анализ возможных топологических фазовых переходов в данных системах с резким изменением их электронной структуры и физико-химических свойств с целью их дальнейшего использования при разработке новых функциональных спиновых устройств в квантовых технологиях. Получаемые в рамках проекта результаты и развиваемые научные идеи отвечают на существующие и новые формирующиеся вызовы в области технологий создания новых материалов с заданными свойствами, что входит в приоритетное направление научно-технологического развития РФ, а также вносит вклад в развитие сквозных технологий. Результаты проекта по теоретическому исследованию и предсказанию свойств новых топологических материалов уже используются и будут использованы для синтеза перспективных топологическим систем на основе магнитных топологических изоляторов и дальнейшего их использования для разработки новых перспективных материалов и функциональных устройств с новыми уникальными свойствами. Ключевыми организациями в России, занимающимися синтезом и исследованием новых типов магнитных топологических изоляторов и анализом их физико-химических свойств с целью дальнейшего их практического использования, являются ФГБУН «Институт геологии и минералогии имени В.С. Соболева Сибирского отделения Российской академии наук» (г. Новосибирск), Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (г. Новосибирск), Московский физико-технический институт (г. Москва), Курчатовский институт (г. Москва), а также ООО «Новые спинтронные технологии» (г. Москва). Проведенные в рамках проекта исследования и изучаемые материалы можно использовать для разработки моделей функциональны спиновых устройств и элементов памяти. В рамках проекта 2026 (продление) взаимодействие с этими организациями будет интенсивно продолжаться и развиваться. Результаты, полученные в рамках проекта, будут также использованы для развития направления по синтезу перспективных материалов и анализу из уникальных физико-химических и магнитных свойств в рамках выполнения Государственного задания Санкт-Петербургского государственного университета. На основе анализа свойств систем на основе графена, которые исследуются в рамках проекта в 2025 году, был получен Евразийский патент № 049764 "Инфракрасный детектор циркулярно-поляризованного излучения на основе графена", дата выдачи: 29.04.2025 г. Авторы: Рыбкин А.Г., Рыбкина А.А., Тарасов А.В,, Ерыженков А.В., Шикин А.М., а также подана заявка на регистрацию программы ЭВМ «Программа автоматического построения экспериментальных кривых ДМЭ-I(V)» (AutoLEED Analyzer). Номер заявки RID-2511-005 На основе результатов, полученных в рамках проекта 2023-2025, защищена одна докторская диссертация: А.Г. Рыбкин «Синтез и электронная спиновая структура квазидвумерных систем с комбинацией спин-орбитального и магнитного обменного взаимодействий» Представлены к защите две кандидатские диссертации: Т. П. Макарова «Модификация электронной и спиновой структуры топологических систем Mn1-xAxBi2Te4 (A = Ge, Sn, Pb)» А. А. Гогина «Модификация электронной структуры квазисвободного эпитаксиального графена при адсорбции и интеркаляции атомов различных металлов» Результаты исследований планируется широко использовать в учебном процессе при модернизации курсов лекций, читаемых магистрантам и аспирантам СПбГУ и других ВУЗов.