Специалисты из Московского физико-технического института и Московского государственного университета создали методику культивирования объ емных кристаллов магнитных топологических изоляторов – перспективных материалов для создания квантовых компьютеров и энергоэффективной электроники. Методика позволяет получать кристаллы размером в несколько сантиметров с повышенной чистотой и стабильностью. Работа опубликована в международном журнале Materials Chemistry and Physics.
Магнитные топологические изоляторы – это особые материалы, обладающие способностью проводить электрический ток исключительно по своей поверхности, при этом оставаясь изоляторами в объеме. Благодаря этим характеристикам они представляются перспективными для разработки квантовых процессоров и электроники будущего. Однако, препятствием для их широкого использования оказалась принципиальная трудность – инконгруэнтное плавление. Нагревание вызывает распад соединений на компоненты, что препятствовало получению крупных и качественных кристаллов с использованием обычных технологий.
Российские исследователи разработали новаторский способ выращивания кристаллов, основанный на принципе трехфазного равновесия. В отличие от общепринятых технологий, которые предполагают использование расплава с фиксированным составом, новая методика обеспечивает одновременное присутствие трех фаз: формирующегося кристалла, расплава и твердого компонента с высокой температурой плавления.
«Мы разработали новый метод синтеза, основанный на использовании двухфазного источника в установке Бриджмена – стандартном оборудовании для кристаллизации. Этот случай наглядно демонстрирует, как глубокое знание фазовых диаграмм позволяет найти решение сложной практической задачи – получение крупных однородных монокристаллов. Кристаллы сантиметрового размера с широкими террасами на поверхности скола говорят о высоком структурном качестве. Данная технология не только решает проблему для целого ряда теллуридов, но и может быть применена для выращивания других сложных многокомпонентных соединений с ограниченной областью первичной кристаллизации », – поясняет один из авторов работы, ведущий научный сотрудник лаборатории фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ Лада Яшина.
«Применение этого метода к сложным системам, например (Ge,Mn)Bi, вызывает особенное восхищение 2Te4 и Mn(Bi,In)2Te4, в таких случаях контроль над стехиометрией обычно очень затруднен. Достигнутый контроль над эффективным коэффициентом разделения и равномерностью распределения катионов в твердом растворе позволяет создать перспективу для целенаправленного синтеза материалов, обладающих заранее определенными электронными и магнитными свойствами », – поясняет один из авторов работы, заведующий лабораторией фотоэлектронной спектроскопии квантовых функциональных материалов МФТИ Александр Фролов.
Ученые утверждают, что разработанная технология создает возможности для производства материалов с заданными свойствами. Она позволяет с высокой точностью управлять составом кристаллов, что необходимо для регулирования их магнитных и электронных параметров.
«Использование метода выращивания кристаллов в условиях перитектики дает возможность получать крупные, высококачественные образцы магнитных топологических изоляторов, например MnBi 2Te4, которые ранее представляли собой лишь тонкие пленки или мелкие кристаллы. Подтверждением высокого структурного качества полученных кристаллов служит енное данными ARPES и STM, открывает дорогу к детальным исследованиям квантовых аномальных и квантовых спиновых эффектов Холла в объ емном материале. Возможность управлять составом тв ердых растворов и, следовательно, положением уровня Ферми и магнитными свойствами, делает эту платформу идеальной для поиска новых экзотических квантовых состояний, таких как аксионный изолятор», – поясняет один из авторов работы, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
Создание новых решений имеет ключевое значение для прогресса квантовых технологий в России. Для формирования надежных кубитов, являющихся основой квантовых компьютеров, а также для разработки энергосберегающей электроники и спинтронных устройств требуются высококачественные кристаллы магнитных топологических изоляторов.
Работа была проведена при финансовой поддержке Российского научного фонда.