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 19-42-06303

НазваниеНовые ферромагнитные и антиферромагнитные материалы, проявляющие квантовый аномальный эффект Холла: поиск, электронное строение и динамика носителей заряда при оптическом возбуждении.

РуководительЯшина Лада Валерьевна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2019 г. - 2021 г. 

Конкурс№34 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (Helmholtz).

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

Ключевые словатопологические диэлектрики, магнитные примеси, спинтроника, электронная структура, фотоэмиссия

Код ГРНТИ29.19.24


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Магнитные топологические изоляторы проявляют ряд интересных эффектов, наиболее важным из которых является квантовый аномальный эффект Холла (QAH, КАЭХ). Впервые его наблюдали в 2013 году для (Bi,Sb)2Te3 легированных Cr и V при крайне низких температурах (50 мК-1 К). Разработка материалов, обладающих данными свойствами, но при более высоких температуре, является актуальной научной задачей, имеющей практическое значение. Перспективным в этом смысле является прототипический топологический диэлектрик Bi2Te3, легированный Mn, для которого КАЭХ будет проявляться при относительно высоких температурах из-за наличия широкой запрещенной зоны в поверхностном состоянии, возникающей в результате нарушения обратно-временной симметрии. При этом важно контролировать концентрацию носителей заряда таким образом, чтобы уровень Ферми помещался внутри запрещенной зоны в поверхностном состоянии. Такой материал можно использовать как для бездиссипативного транспорта носителей заряда в микросхемах. Он также позиционируется как ключевая часть топологического кубита, который предполагает использовать хиральные майорановские фермионы (относящиеся к краевых состояниям, обусловленных КАЭХ) для квантовых вычислений, которые в 10^3 раза быстрее, но в остальном эквивалентны разработанным процедурам, основанным на нулевых майорановских модах. Другое потенциальное использование этого материала - полностью электрическое или полностью оптическое магнитное переключение с помощью эффекта спинового крутильного момента. Установлено, что спиновый крутильный момент для ферромагнитных интерфейсов с немагнитными и магнитными топологическими изоляторами на порядки выше, чем в обычных материалах. Тем не менее, этому до сих пор нет объяснения, что является типичной проблемой при исследовании транспортных свойств. В 2016 году мы смогли доказать с помощью ультрабыстрой спектроскопии накачки-зондирования ФЭСУР (фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением, ARPES), что циркулярно-поляризованный инфракрасный свет действительно генерирует спин-поляризованные токи в топологических изоляторах - через 4 года после того, как этот спорный эффект был заявлен в транспортных экспериментах. Мы планируем подвергнуть Mn-легированный (Bi,Sb)2Te3 лазерно-индуцированному магнитному переключению и изучить этот процесс при помощи ФЭСУР с разрешением по времени и спину в зависимости от таких параметров, как: плотность светового потока, энергия фотонов, поляризация, зарядовое легирование и спиновый ток. По концентрации марганца в предельном случае Bi2Te3 (Mn) становится MnBi2Te4, который выступает кандидатом в качестве антиферромагнитного топологического изолятора, новой фазы, защищенной совместным действием инверсионной симметрии и симметрии обращения времени, в которой каждая из двух нарушается. MnBi2Te4, возможно, будет проявлять КАЭХ даже при 300 K. Здесь мы нацелены на исследование спиновой текстуры состояний вблизи запрещенной зоны. В дальнейшем предполагается достижение в нем диэлектрического состояния.

Ожидаемые результаты
1. Будут оценены возможности и найдены способы управления шириной запрещенной зоны в поверхностном топологическом состоянии, положением уровня Ферми и температурой Кюри для Bi2Te3 легированного Mn. 2. Будет проведено сравнение динамики возбужденных состояний для образцов ферромагнитных топологических диэлектриков в диэлектрическом состоянии и с высокой концентрацией носителей заряда в объеме материала. 3. Предполагается исследовать влияние круговой поляризации сверхбыстрых лазерных импульсов на спиновой крутильный момент в ферромагнитных топологических системах 4. Будет проведено исследование вопроса является ли антиферромагнитная структура MnBi2Te4 устойчивой и почему, изучены VBi2Te4 и EuBi2Te4 в качестве альтернативы. 5. Будет проведен поиск антиферромагнитного переключения в антиферромагнитных MnBi2Te4 и EuSe/Bi2Se3 6. Будет установлена возможность использования 3D Дираковских или 3D Вейлевских состояний в системах с антиферромагнитным переключением.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
1. Методом Бриджмена-Стокбаргера с использованием четырёхзонной вертикальной печи синтезированы кристаллы магнитных топологических изоляторов (Bi,Sb)2xMnyTe3x+y и изоструктурные им кристаллы с германием, оловом и свинцом. Кристаллы охарактеризованы по составу и структуре с использованием комплекса методов. Использование метода выращивания из газовой фазы путем химических транспортных реакций не дало удовлетворительных результатов. 2. Для синтеза тонких плёнок топологических изоляторов, легированных магнитными примесями, и гетероструктур в Гельмгольц-центре Берлина с участием российской стороны была спроектирована и собрана из компонентов сверхвысоковакуумная установка, имеющая в своем составе следующие камеры: молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), пробоподготовки, быстрого ввода и анализа. 3. Атомная структура полученных кристаллов была изучена при помощи уникального метода дифракции фотоэлектронов. Установлено, что атомы висмута и сурьмы занимают эквивалентные позиции в кристаллической структуре, в то время как атомы марганца находятся в центре семислойных структурных пакетов Te-(Bi,Sb)-Te-Mn-Te-(Bi,Sb)-Te. Семислойные пакеты не расположены строго периодично; об этом можно судить по отсутствию плоскостей Кикучи в дифракционной картине марганца. Анализ экспериментальных картин дифракции фотоэлектронов, полученных для поверхности (111) монокристалла GeBi4Te7, позволяют сделать вывод о том, что в отличии от (Bi,Sb)2Te3, легированного марганцем, атомы германия в значительной степени рассредоточены по катионным позициям семислойного структурного пакета GeBi2Te4. Для аналогичного соединения свинца GePb4Te7 наблюдается замещение висмута не только в семислойном, но и пятислойном пакете. 4. Методом ФЭСУР была исследована температурная зависимоcть мнимой части собственных значений энергии электронов. Константа электрон-фононного взаимодействия составила lambda=0.18 (0.03), что хорошо согласуется с теоретическими оценками в литературе. 5. Методом фотоэлектронной спектроскопии накачки-зондирования с временным и угловым разрешением была исследована динамика оптического возбуждения – релаксации дираковских электронов. Наиболее важным результатом наших исследований динамики неравновесных электронов является то, что скорость рассеяния после возбуждения характеризуется зависящей от времени мнимой частью собственных значений энергии электронов. Были определены вклады электрон-электронной и решёточной температуры. Была рассчитана константа электрон-фононного взаимодействия из анализа температурной зависимости мнимой части собственной энергии электронов, которая составила lambda =0.24(0.01). В результате этих экспериментов мы обнаружили четкое соответствие между вкладом квазиупругого электрон-фононного рассеяния и ростом температуры решетки. 6. Электронная структура кристаллов (Bi,Sb)2xZyTe3x+y (Z=Mn,Ge) в области топологических состояний была исследована методом ФЭСУР. Предположено, что три конуса Дирака, наблюдаемых в эксперименте, связаны с несколькими возможными вариантами терминирования поверхности скола кристалла. Несмотря на то, что съемка фотоэлектронных спектров с угловым разрешением с поверхности образца проводилась при температуре ниже температуры Кюри, определенной методом СКВИД-магнитометрии, щель в нижнем конусе Дирака, обусловленная обменным взаимодействием, обнаружена не была. 7. Влияние различного терминирования на электронное строение влизи топологических состояний был изучен для трёхмерного топологического изолятора GeBi4Te7, структура которого подобна (Bi,Sb)2xMnyTe3x+y, 2x/y=24, но содержит больше семислойных пакетов. Для поверхностей, заканчивающихся разными структурными блоками, было найдено, что топологические поверхностные состояния имеют различные законы дисперсии, в частности, для поверхности, терминированной семислойным блоком GeBi2Te4 конус Дирака лежит выше по энергии, чем для терминированной пятислойным блоком Bi2Te3. 8. Магнитный эффект близости «топологический изолятор – магнитно-упорядоченная система» был изучен в системе Co/ Bi2Se3, легированный Mn. Нами проведено исследование электронной и магнитной структуры для границы между тонкой пленкой кобальта различной толщины и поверхностью трёхмерного топологического изолятора (Bi0.92Mn0.08)2Se3. Методом ФЭСУР было установлено, что нанесение тонкой плёнки кобальта на поверхность (Bi0.92Mn0.08)2Se3 не приводит к изменению закона дисперсии топологического состояния. Было установлено, что при толщине пленки Co, больше двух монослоев, наблюдается чрезвычайно слабый дальний ферромагнетизм вдоль интерфейса, что находится в разногласии с предыдущими работами. Более того, нами не было найдено никаких свидетельств антиферромагнитного упорядочения. Мы связываем отсутствие магнитного эффекта близости в системе Co/(Bi0.92Mn0.08)2Se3 с тем, что волновые функции поверхностных состояний оказываются смещены от поверхности в направлении объема кристалла, чему способствует присутствие плёнки Co. 9. На основании имеющихся литературных данных и квантово-механических расчётов начат поиск других перспективных топологических изоляторов с магнитными примесями, проявляющих квантовый аномальный эффект Холла. В рамках теории функционала плотности с периодическими граничными условиями, были проведены сравнительные расчёты двух вариантов структур MBi2Te4 (M = РЗЭ), с кубической структурой типа Th3P4 и с ромбоэдрической, производной от структуры тетрадимита с семислойными пакетами Te-Bi-Te-M-Te-Bi-Te. Найдено, что для DyBi2Te4, HoBi2Te4, ErBi2Te4 более выгодной является структура тетрадимита. Разница составляет соответственно 0.35, 0.44 и 0.38 эВ на формульную единицу.

 

Публикации

1. Огородников И.И., Кузнецов М.В., Матцуи Ф., Усачев Д.Ю., Яшина Л.В. Enhanced surface sensitivity of X-ray photoelectron holography through the example of Bi2Te3(111) surface Applied Surface Science, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144531


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
• В кристаллической структуре монокристаллов со структурой «GeAs2Te4» и анионным замещением (Sn0,31Bi0,69)2(Se0,56Te0,44)3 и (Ge0.29Bi0.71)2(Se0.48Te0.52)3 было выявлено полное упорядочение атомов селена в третьем и пятом слоях семислойного пакета. Было установлено, что отношение атомных концентраций катионов и анионов в обоих случаях составляет 2 к 3, а не 3 к 4, как это должно быть в идеальной структуре типа GeAs2Te4. Такой результат говорит о том, что полная заселённость каждой катионной позиции в семислойном пакете меньше единицы. Устойчивость такой дефектной структуры может быть обусловлена переменной валентностью атомов Ge и Sn, которые могут проявлять степень окисления +4. • Было установлено, что эффект упорядочения атомов селена в анионной подрешётке прототипических топологических изоляторов Bi2SeTe2 и Sb2SeTe2 существенно изменяет геометрию связи, особенно соответствующие углы связи, моделируемые методом DFT. Методами in situ и ex situ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии было обнаружено, что в отличие от катионного замещения, частичное замещение теллура атомами селена приводит к аномально высокой поверхностной реакционной способности, которая даже превышает таковую у наиболее реакционноспособного бинарного компонента. Эти данные необходимы для выбора условий изготовления структур и прототипов устройств. • Были подобраны условия получения однородных монокристаллов размером до 4х4х1 мм3 индивидуальных фаз в системе Bi2Te3-MnTe методом кристаллизации по Бриджмену с последующим длительным изотермическим отжигом. • Были исследованы тонкоплёночные гетероструктуры GeTe/Bi2Te3 и GeTe/GeBi2Te4. Были подобраны условия получения эпитаксиальных плёнок методом МЛЭ и исследованы некоторые спектральные аспекты их кристаллизации. В частности, было установлено, что эпитаксиальные структуры могут быть синтезированы только при напылении аморфной плёнки на холодную подложку с последующей термической обработкой. • Были предприняты попытки получения новых фаз на основе теллурида висмута, содержащих редкоземельный элемент самарий. Изотермический отжиг при температуре 550оС в течение 240 часов ряда смесей бинарных веществ 50%SmTe-50%Bi2Te3, 33%SmTe-67%Bi2Te3, 25%SmTe-75%Bi2Te3, 50%Sm2Te3-50%Bi2Te3, 33%Sm2Te3-67%Bi2Te3 и 25%Sm2Te3-75%Bi2Te3 не привел к образованию фаз со структурой GeAs2Te4 ни в одном образце из серии. • Атомная структура монокристалла Mn0.06(Bi1.22Sb0.78)2Te3.06 была изучена с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Было обнаружено, что, разбавленный магнитный ТИ имеет в наномасштабе тенденцию к фазовому разделению на фазы (Bi1.22Sb0.78)2Te3 и Mn(Bi1.22Sb0.78)6Te10 (два пятислойных пакета между семислойным) или Mn(Bi1.22Sb0.78)8Te13 (три пятислойных между семислойным). Более детальное исследование показало, что семислойный пакет не описывается идеальной последовательностью Te-(Bi,Sb)-Te-Mn-Te-(Bi,Sb)-Te, а содержит значительное количество антиструктурных дефектов (Bi,Sb)-Mn и Mn-(Bi,Sb). Эта сегрегация фаз влияет на структуру поверхности. Методами SEM, AEM, SPEM было обнаружено существование трёх различных терминирований поверхности, различающихся по концентрации атомов марганца. • Для выявления закономерностей и причин, определяющих формирование определённых картин заселённости катионных позиций в семислойных блоках, нами была исследована атомная структура изоструктурных соединений GeBi2Te4, SnBi2Te4, PbBi2Te4. Структура всех трёх образцов представляла собой идеальную последовательность семислойных пакетов, без дефектов упаковки. Для получения информации о заселённости атомных позиций был использован метод STEM-EDX с атомным разрешением. Было обнаружено, что в структуре GeBi2Te4 атомы германия и висмута статистически замещают друг друга в позициях Вайкоффа 3m и 6c. В структурах SnBi2Te4 и PbBi2Te4, картины заселённости катионных позиций практически совпадают друг с другом, однако отличаются от случая GeBi2Te4. Главное отличие состоит в предпочтительном заселении атомами Sn и Pb центральных позиций в семислойном блоке. • Атомная структура объема и поверхности (111) скола монокристаллов GeTe исследована методом просвечивающей микроскопии с атомным разрешением. Было обнаружено два типа доменных границ, одна из которых похожа по структуре на ван-дер-ваальсовую щель в слоистых материалах. Эта структура отвечает за формирование поверхностных доменов с преимущественным терминированием атомами теллура (~ 68%), что было установлено с помощью методов дифракции фотоэлектронов и рентгенофотоэлектронной спектроскопии. Методами сканирующей зондовой микроскопии (АСМ, СТМ) и дифракции медленных электронов было обнаружено, что поперечные размеры поверхностных доменов находятся в диапазоне ~ 10-100 нм, а оба поверхностных терминирования не проявляют реконструкции. • Исследования электронной структуры гетероструктур GeTe/Bi2Te3 методом фотоэлектронной спектроскопии с угловым проведено для 10Å GeTe/Bi2Te3, 5Å GeTe/GeBi2Te4. В зависимости от термической обработки, были обнаружены дисперсионные зависимости электронных состояний, относящиеся к фазам β-GeTe/Bi2Te3 и GeBi2Te4/Bi2Te3. Для сравнения детально исследована зонная структура поверхности (111) скола монокристалла GeTe. С использованием фотоэлектронной спектроскопии с разрешением по углу и спину, была установлена внутренняя количественная связь между спиновой поляризацией чистых объемных состояний и относительным вкладом различных терминирований. Полученный результат согласуется с изменением спиновой текстуры объемных состояний Рашбы для противоположных конфигураций сегнетоэлектрической поляризации внутри отдельных нанодоменов. • Для исследования влияния состава и структуры поверхности на ее электронные свойства Mn0.06(Bi1.22Sb0.78)2Te3.06, мы провели измерения ARPES с различными размерами зондируемой области (> 100 мкм и ~ 100 нм в диаметре). Было обнаружено существование трёх типов поверхностных состояний, каждое из которых было соотнесено с конкретным типом поверхностного терминирования. • Была исследована температурная зависимость времен сверхбыстрой релаксации носителей заряда при оптическом возбуждении для поверхностных состояний GeTe(111). В результате исследования была выявлена роль электрон-фононного и электрон-электронного рассеяния на скорость релаксации носителей заряда в спин-невырожденных системах. • Основным результатом исследования динамики возбуждения-релаксации носителей заряда на поверхности Sb(111) является обнаружение связи излома на кривой, описывающей дисперсию поверхностного состояния, вызванного взаимодействием с объемными зонами, с процессами оптического возбуждения электронов. • Для поиска новых магнитных топологических изоляторов выполнено моделирование свойств магнитных топологических изоляторов MBi2Te4 (M = РЗЭ 6-го периода). По результатам расчётов, практически все тройные соединения MBi2Te4 должны быть неустойчивы по отношению к распаду на бинарные фазы, т. е. метастабильны. Исключением является лишь LuBi2Te4, который не является магнитным. Наименее склонны к распаду GdBi2Te4, SmBi2Te4, YbBi2Te4, TmBi2Te4, EuBi2Te4, а наиболее нестабилен CeBi2Te4, что частично коррелирует с устойчивостью степени окисления +2 у этих элементов. Для полученных соединений выполнен расчёт магнитных свойств в неколлинеарном приближении. Максимальным магнитным моментом – 6,9 магнетона Бора – обладает GdBi2Te4, имеющий 7 неспаренных f-электронов. Так как большинство соединений MBi2Te4 оказались метастабильными с положительной энергией образования из бинарных теллуридов, была проверена гипотеза о том, что селен увеличивает их стабильность. Был рассчитан аналогичный набор соединений с той же структурой, что и MBi2Te4, но с заменой во внутренних слоях Te на Se. Было обнаружено, что для соединений РЗЭ фазы с содержанием селена являются менее стабильными, чем только с теллуром.

 

Публикации

1. Волыхов А.А., Фролов А.С., Неудачина В.С., Владимирова Н.В., Гербер Е., Каллаерт К., Хадерманн Дж., Хмелевский Н.О., Кноп-Герике А., Санчез-Баррига Х., Яшина Л.В. Impact of ordering on the reactivity of mixed crystals of topological insulators with anion substitution: Bi2SeTe2 and Sb2SeTe2 Applied Surface Science, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.148490

2. Радер О., Санчез-Баррига Х., Ринкс Э.Д.Л., Варыхалов А., Шпрингхольц Г., Яшина Л.В. Angle‐Resolved Photoemission of Topological Matter: Examples from Magnetism, Electron Correlation and Phase Transitions Physica Status Solidi (B): Basic Research, 2000371 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/pssb.202000371

3. Фролов А.С., Санчез-Баррига, Х., Каллаерт К., Хадерманн Дж.,Федоров А.В., Усачев Д.Ю., Чайка А.Н., Вэллс Б.К., Жуссубеков К., Швец И.В., Мунтвайлер М., Амати М., Грегоратти Л., Варыхалов А.Ю., Радер О., Яшина Л.В. Atomic and Electronic Structure of a Multidomain GeTe Crystal ACS Nano, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05851

4. - Germanium telluride's hidden properties at the nanoscale revealed chemeurope.com, 10-Nov-2020 (год публикации - )

5. - Research Group Reveals Hidden Properties of Germanium Telluride at the Nanoscale AZoM, 9-Nov-2020 (год публикации - )

6. - Germanium telluride's hidden properties at the nanoscale revealed Nanowerk, 7-Nov-2020 (год публикации - )

7. - Germanium telluride's hidden properties at the nanoscale revealed Nanotechnology Now, 6-Nov-2020 (год публикации - )

8. - Germanium telluride's hidden properties at the nanoscale revealed 7thSpace, 6-Nov-2020 (год публикации - )

9. - Germanium Telluride’s Hidden Properties At The Nanoscale Revealed Scienmag, 6-Nov-2020 (год публикации - )

10. - Germanium telluride’s hidden properties at the nanoscale revealed Bioengineer.org, 6-Nov-2020 (год публикации - )

11. - Germanium telluride's hidden properties at the nanoscale revealed ScienceDaily, 6-Nov-2020 (год публикации - )

12. - Besonderheiten von Germaniumtellurid auf der Nanoskala aufgedeckt Informationsdienst Wissenschaft e. V., 06.11.2020 10:44 (год публикации - )

13. - Germanium telluride's hidden properties at the nanoscale revealed Phys.org, 6-Nov-2020 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
• Для синтеза крупных монокристаллов магнитных топологических изоляторов, являющимися производными фазы MnBi2Te4, разработан новый метод выращивания на основе метода Бриджмена, в котором состав питательной среды фиксируется с использованием твердофазного источника, что позволило преодолеть выявленные ранее и описанные в литературе трудности синтеза, связанные с инконгруэнтным характером плавления соединений и малой областью первичной кристаллизации. • Получены монокристаллы твердых растворов MnxGe1-xBi2Te4, Mn(BixSb1-x)2Te4 (x=0-1) с использованием разработанного в рамках проекта нового метода синтеза. Для синтезированных кристаллов проведен анализ состава, атомной структуры и магнитных свойств методами РФС, РФЭС, РФА, СЭМ c ЭДС и СКВИД-магнитометрии. • Обнаружено, что образцы GexMn1-xBi2Te4 во всем диапазоне составов (x=0-1) содержат единственную фазу с симметрией R-3m. Анализ поверхности сколов монокристаллов при помощи ЭДС также показал отсутствие включений других фаз. По результатам РФЭС, все составляющие твердого раствора (атомы германия, марганца, висмута и теллура) находятся в одном зарядовом состоянии (+2 для атомов германия и марганца, +3 для атомов висмута и +4 для атомов теллура) во всем объеме кристалла. • Определены тип и температура магнитного упорядочения в твёрдых растворах MnxGe1-xBi2Te4, исследована зависимость температур Кюри и Нееля от параметра x во всем диапазоне составов (х=0-1). • Для монокристаллов Mn(BixSb1-x)2Te4 обнаружено, что по мере роста монокристаллы обогащаются висмутом. Рентгенофазовый анализ (РФА) подтвердил наличие целевой фазы со структурным типом GeAs2Te4. • Предприняты попытки выращивания монокристаллов составов MnxSn1-xBi2Te4, MnBi2(SexTe1-x)4, SmBi2Te4. Вследствие недостатка информации о характере фазовых превращений в указанных системах удовлетворительные образцы монокристаллов получены не были. • В полученных кристаллах магнитных топологических изоляторов MnxGe1-xBi2Te4 распределение катионов германия и марганца (заселенность атомных позиций) исследовано при помощи дифракции фотоэлектронов и фотоэлектронной голографии. Изучено влияние состава кристалла на упорядочение магнитных атомов в катионной подрешётке. Обнаружено, что корректное описание экспериментальной картины дифракции фотоэлектронов возможно только при учете разупорядочения атомов в катионных позициях, при этом в позициях висмута (второй с края слой семислойного блока) находится около 3.5-4 атомных процентов марганца. • Исследование электронной структуры монокристаллов GeBi2Te4, SnBi2Te4, PbBi2Te4 проведено при помощи метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым (ФЭСУР) и спиновым разрешением. Для GeBi2Te4 на основании симметрии изоэнергетических сечений выполнено отнесение состояний к поверхностным или объемным. Подтверждено наличие топологических поверхностных состояний (TSS). Для топологического состояния обнаружена симметрия шестого порядка, предложено теоретическое объяснение для ее возникновения. Для монокристаллов SnBi2Te4 и PbBi2Te4 также обнаружено топологически-нетривиальное поверхностное состояние. В изоэнергетических сечениях проявляются нитевидные состояния, составляющие как дно зоны проводимости, так и потолок валентной зоны. Предложено объяснение данного явления за счет формирования подобных нодальных линий, топологически защищённых плоскостью зеркальной симметрии, проходящей вдоль направления ГМ. • При помощи метода ФЭСУР изучены изменения в электронной структуре поверхности, сопровождающие замещение атомов германия на марганец в твердых растворах GexMn1-xBi2Te4 (x=0-1). При анализе E-k сечений вдоль направления K-Г-K выявлено, что для всех значений х можно увидеть один и тот же набор особенностей зонной структуры. Показано, что во всем диапазоне составов в указанных материалах присутствует топологическое поверхностное состояние (TSS). • Для монокристаллов состава Ge0.4Mn0.6Bi2Te4 изучена спиновая текстура поверхностных состояний в двух точках по оси квазиволновых векторов. Обнаружено образование массовой запрещённой зоны в топологическом поверхностном состоянии, вызванное обменным взаимодействием. Отчётливо заметно формирование минимума интенсивности фототока в точке Дирака при переходе от 25 К к 15 К, данный эффект является обратимым. Ширина массовой запрещённой зоны (2m) экспериментально оценена как 19 мэВ. • Проведено исследование изменения электронной структуры поверхности Bi2Se3 (111) при нанесении слоя металлического золота, в частности, отсутствие запрещенной зоны в конусе Дирака. Систематическое исследование фотоэмиссии с разрешением по спину и углу (SARPES) для данной системы показало, что конус Дирака устойчив к покрытию поверхности атомами золота вплоть до одного монослоя. Кроме того, было показано, что спиновые текстуры топологического поверхностного состояния (TSS) и сопровождающих его поверхностных резонансов (SR) качественно не меняются после осаждения золота. • В рамках теории функционала плотности выполнен расчёт электронной структуры и магнитных свойств соединений MBi2Te4 (М=РЗЭ), для которых была предсказана наибольшая термодинамическая стабильность. После предварительной оптимизации геометрии был произведён расчёт магнитной структуры в неколлинеарном приближении с ферромагнитным упорядочением. Показано, что наивысшие значения магнитных моментов достигаются для середины ряда РЗЭ (Sm-Tb), при этом наивысшие значения моментов получены для Gd. • При помощи сканирующей фотоэлектронной спектромикроскопии изучена реакционная способность поверхностей (0001) монокристаллов MnBi4Te7 по отношению к чистому кислороду. Обнаружено, что поверхность монокристалла состоит из двух возможных поверхностных терминирований – MnBi2Te4 и Bi2Te3, имеющих типичные размеры от 10х10 до 40х40 мкм. При выдержке в 200 мбар чистого кислорода в течении 30 минут поверхность, терминированная Bi2Te3, фактически не претерпевает никаких химических изменений, в то время как поверхность состава MnBi2Te4 демонстрирует признаки глубокого окисления.

 

Публикации

1. Кларк О.Д., Фройзе Ф., Агилера И., Фролов А.С., Ионов А.М., Божко С.И., Яшина Л.В., Санчес-Баррига Х. Observation of a giant mass enhancement in the ultrafast electron dynamics of a topological semimetal Communications Physics, т.4, c.165 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s42005-021-00657-6

2. Кларк О.Д., Фройзе Ф., Яшина Л.В., Радер О., Санчес-Баррига Х. Robust behavior and spin-texture stability of the topological surface state in Bi2Se3 upon deposition of gold npj Qauntum Materials, - (год публикации - 2022)


Возможность практического использования результатов
В рамках выполнения проекта выполнен синтез и исследование свойств принципиально новых материалов - магнитных топологических диэлектриков, которые рассматриваются как будущая основа для создания топологических кубитов (для применения в компьютерах, работающих на принципах квантовых вычислений и спинтроники). Несмотря на то, что непосредственное использование полученных материалов в экономике на данном этапе развития технологий и уровне знаний о свойствах соответствующих материалов невозможно, достигнутые результаты формируют существенный задел, который послужит научно-технологическому прогрессу в данной сфере в Российской Федерации. Полученные результаты находятся на передовом крае фундаментальных исследований в области физики и материаловедения не только в Российской Федерации, но и в мире.