Ученые приблизились к применению топологических изоляторов — материалов с уникальными электрическими свойствами, которые еще недавно считались лишь гипотетическими объектами.
Физики из МФТИ и Института теоретической физики им. Ландау РАН сделали еще один шаг на пути к применению топологических изоляторов. Удалось выяснить, как в подобных материалах устроено взаимодействие между атомами магнитных примесей.
Топологические изоляторы — это открытие физики XXI века. Изначально они были предсказаны теоретически и только потом открыты экспериментально. Внутри они ведут себя как полупроводники, а на поверхности (у границы) их свойства похожи на свойства металла — например, по поверхности подобного материала свободно протекает электрический ток. Сейчас этот новый класс материалов активно изучают по всему миру, включая МФТИ. Ожидается, что их необычные свойства будут востребованы при создании электронных схем с минимальными потерями на тепло, квантовых компьютеров и других перспективных устройств.
Однако, чтобы создавать полезные устройства на основе топологических изоляторов, необходимо понимать, как на их свойства влияют различные несовершенства их структуры: в частности присутствие атомов с ненулевым магнитным моментом. Напомним, что магнитный момент характеризует величину магнитного поля, которое может создавать атом.
То, как такие атомы (допустим, атомы железа или марганца) взаимодействуют между собой, давно исследовалось в разных материалах. В металлах их взаимодействие называется «взаимодействием Рудермана — Киттеля — Касуи — Йосиды» в честь теоретиков, впервые изучивших его еще в середине 1950-х годов.
В полупроводниках взаимодействие магнитных атомов носит название «косвенного обменного взаимодействия», и его впервые теоретически исследовали Бломберген и Роуланд в 1955 году. Большой вклад в изучение косвенного обменного взаимодействия внес также Алексей Абрикосов — советско-американский физик, нобелевский лауреат, занимавшийся фундаментальными вопросами физики твердого тела. Знание косвенного обменного взаимодействия — энергии связи между магнитными атомами, ее зависимости от расстояния между ними и температуры — позволяет предсказывать то, как будут упорядочиваться магнитные моменты этих атомов при низких температурах в данном веществе.
В новой статье, которая была опубликована в журнале Physical Review B, ученые рассмотрели взаимодействие атомов с ненулевым магнитным моментом в том случае, когда они расположены недалеко от границы двумерного топологического изолятора. Игорь Бурмистров (сотрудник ИТФ им. Л. Д. Ландау РАН и лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ) вместе со студентами пятого курса кафедры теоретической физики факультета общей и прикладной физики МФТИ Павлом и Владиславом Куриловичами изучал косвенное обменное взаимодействие между атомами марганца в двумерном топологическом изоляторе на основе квантовой ямы CdTe/HgTe/CdTe.
Фраза «на основе квантовой ямы» означает, что между пленками теллурида кадмия, CdTe, имеется тонкая полоса из теллурида ртути, HgTe. Квантовые характеристики этих веществ разные, поэтому электроны внутри полосы из теллурида ртути не могут свободно перейти за ее границы, они как бы находятся на дне «ямы-ловушки», преодолеть «стенки» которой можно лишь при наличии определенной энергии.
По словам Игоря Бурмистрова, специфика задачи «состояла в том, что, в зависимости от расположения магнитных атомов, в топологическом изоляторе они взаимодействуют, как в металле (если оба магнитных атома находятся у границы) или как в полупроводнике (если оба магнитных атома находятся вдали от границы)».
Рассказал исследователь и о специфике двумерного топологического изолятора: «В двумерных топологических изоляторах движение квазичастиц происходит в плоскости, что связано с большой величиной энергии размерного квантования в квантовой яме». Квантование – эффект, при котором какая-либо система может иметь энергию только с определенными значениями, а размерное квантование — это то, что наблюдается при ограничении размеров системы. В очень тонких слоях или полосках вещества частицы ведут себя иначе, чем в «классических» образцах вроде куска медного провода или полупроводникового кристалла.
Итоговый результат теоретического анализа — предсказание нового типа косвенного обменного взаимодействия между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе. С одной стороны, оно напоминает аналогичное взаимодействие в металлах, а с другой — типичную для полупроводников картину. Такое необычное сочетание является определяющим для взаимодействия пар магнитных атомов, один из которых находится вблизи границы, а другой — вдали от нее. Прямого практического применения полученные результаты не имеют, но они важны для дальнейшего исследования влияния магнитных атомов на распространение электрического тока вдоль границы двумерного топологического изолятора.
