Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета разработали способ изменения свойств магнитного топологического изолятора, основу которого составляет соединение MnBi 2Te4, что позволило повысить его характеристики и уменьшить количество дефектов в структуре. Модифицированный материал пригоден для использования в квантовых компьютерах и позволяет создавать устройства спинтроники, которые в перспективе могут заменить кремниевые электронные компоненты. Исследование, которое было поддержано грантом РНФ, опубликованы в Physical Review Research.
Уникальные магнитные топологические изоляторы давно привлекают внимание исследователей по всему миру. Эти материалы обладают необычным свойством: в объеме они действуют как изоляторы, не проводя электрический ток, а на поверхности проявляют электропроводность.
«Эти материалы обладают рядом характерных особенностей. Так, изменение их свойств становится возможным благодаря регулированию внутреннего магнетизма. Помимо этого, все электроны, перемещающиеся вдоль края магнитного топологического изолятора, имеют фиксированную ориентацию спина (направление движения электрона. — Прим. ред.), это свойство не позволяет им исчезать в областях с дефектами. Следовательно, электрическая проводимость материала сохраняется, даже если в его составе присутствуют незначительные повреждения», — подчеркнул Дмитрий Естюнин, старший научный сотрудник СПбГУ (лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем), ассистент кафедры электроники твердого тела СПбГУ.
Ориентация спинов электронов, вращающихся по краю, приводит к разделению спиновых токов. Это свойство делает магнитные топологические изоляторы перспективными для использования в спинтронных устройствах. В этих приборах передача информации осуществляется не с помощью заряда электрона, как в традиционных электронных схемах, а посредством его спина. Такой подход позволяет увеличить скорость и плотность передачи данных, а также уменьшить энергопотребление и габариты устройств. Предполагается, что в перспективе спинтроника сможет вытеснить кремниевую электронику.
Дмитрий Естюнин совместно с коллегами из университета исследует перспективы использования магнитных топологических изоляторов, в частности соединения MnBi 2Te4. Именно в Санкт-Петербургском государственном университете был разработан этот материал, и в настоящее время исследователи работают над улучшением его свойств и созданием на его основе компоненты для применения в спинтронных устройствах.
Недавно физики из университета провели эксперимент по внедрению в кристаллическую структуру MnBi 2Te4 марганец (Mn) на свинец (Pb), за счет чего получилось повысить качество материала, а также уменьшить количество дефектов. Помимо свинца ученые СПбГУ добавляли в MnBi 2Te4 другие элементы IV группы Периодической системы — германий (Ge) и олово (Sn). Эти примеси позволили изменить магнитные характеристики и повлиять на величину запрещенной зоны, от которой зависит электропроводность.
Дмитрий Естюнин отмечает, что в настоящее время ученые продолжают проводить эксперименты с материалом MnBi 2Te4. В частности, это касается размера запрещенной зоны. Ученые стремятся уменьшить ее, чтобы повысить электропроводность всей структуры. Кроме того, физики исследуют возможности управления магнитными свойствами материала с целью настройки его параметров для решения конкретных задач, в частности, для применения в устройствах спинтроники.
Одновременно исследователи ведут работу по двум другим направлениям. Первое из них – разработка метода синтеза объемных кристаллов магнитных топологических изоляторов, что позволит создавать их в лабораторных условиях для проведения научных изысканий. В рамках второго направления ученые осваивают технику молекулярно-лучевой эпитаксии для получения тонких пленок MnBi 2Te4 и родственных ему соединений уже для масштабного производства.
Помимо этого, ученые продолжают поиск технических решений, которые потребуются для создания прототипа спинового фильтра, предназначенного для избирательного пропускания или блокировки спинов электронов. В частности, физики разрабатывают методы нанесения дополнительных функциональных слоев на поверхность топологического изолятора, обеспечивающие сохранение его упорядоченной структуры и электронных свойств.
По словам Дмитрия Естюнина, магнитные топологические изоляторы находят применение не только в спинтронике, но и в квантовых технологиях. В частности, конструкции, сочетающие топологический изолятор и сверхпроводник, позволяют использовать фермионы Майораны (частиц, которые являются собственными античастицами. — Прим. ред.) это позволяет формировать защищенные кубиты, которые могут быть более устойчивыми компонентами квантового вычислителя.
«Некоторые топологические изоляторы, например материалы семейства Bi 2Te3, благодаря своим хорошим термоэлектрическим свойствам, эти материалы способны преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот. Это делает их востребованными для использования в автономных системах электропитания. В настоящее время подобные структуры находят применение в устройствах, предназначенных для преобразования тепловой энергии в электрическую», — подчеркнул Дмитрий Естюнин.
Магнитные топологические изоляторы, по его мнению, могут найти применение и в метрологии, где они послужат новыми эталонами для измерения сопротивления. Это особенно актуально в ситуациях, когда необходимо минимизировать воздействие внешних магнитных полей и добиться результатов с предельно высокой точностью.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета исследуют возможности модификации магнитных топологических изоляторов MnBi 2Te4 использовали оборудование ресурсных центров Научного парка университета, в частности Центр, специализирующийся на разработке функциональных материалов для применения в медицине, фармакологии и наноэлектронике , центров «Нанотехнологии» и «Физические методы исследования поверхности».
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ