Недавно считавшиеся лишь теоретическими конструкциями, топологические изоляторы, обладающие уникальными электрическими свойствами, теперь находятся на пороге практического применения благодаря усилиям ученых.
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 стали одним из важнейших открытий в физике XXI века. Сначала эти материалы были предсказаны теоретиками, а затем подтверждены экспериментально. Внутренняя структура топологических изоляторов аналогична полупроводникам, в то время как на поверхности, у границы, проявляются металлические свойства — например, по ним может свободно перемещаться электрический ток. В настоящее время ученые во всем мире, включая МФТИ, активно исследуют этот новый класс материалов. Ожидается, что их уникальные характеристики найдут применение при создании электронных схем с низким тепловыделением, квантовых компьютеров и других инновационных устройств.
Для разработки эффективных устройств, использующих топологические изоляторы, важно учитывать влияние дефектов в их структуре на их характеристики. В частности, это касается наличия атомов, обладающих магнитным моментом. Напомним, что магнитный момент определяет силу магнитного поля, способного генерировать атом.
Взаимодействие атомов, таких как железо или марганец, друг с другом было предметом многочисленных исследований в различных материалах. В металлических структурах это взаимодействие известно как «взаимодействие Рудермана — Киттеля — Касуи — Йосиды», в честь ученых, которые впервые теоретически описали его в середине 1950-х годов.
В полупроводниках взаимодействие магнитных атомов определяется как «косвенное обменное взаимодействие», которое впервые было теоретически изучено Бломбергеном и Роуландом в 1955 году. Значительный вклад в изучение этого взаимодействия внес также Алексей Абрикосов, советско-американский физик и нобелевский лауреат, который занимался фундаментальными исследованиями в области физики твердого тела. Понимание косвенного обменного взаимодействия — энергии связи между магнитными атомами, ее связи с расстоянием между ними и температурой — позволяет прогнозировать расположение магнитных моментов этих атомов при низких температурах в конкретном веществе.
В недавно опубликованной статье в журнале Physical Review B, рассматривая взаимодействие атомов, обладающих ненулевым магнитным моментом, ученые обратили внимание на случай их расположения вблизи границы двумерного топологического изолятора. Исследование косвенного обменного взаимодействия между атомами марганца в двумерном топологическом изоляторе на основе квантовой ямы CdTe/HgTe/CdTe проводилось Игорем Бурмистровым (сотрудником ИТФ им. Л. Д. Ландау РАН и лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ) совместно со студентами пятого курса кафедры теоретической физики факультета общей и прикладной физики МФТИ Павлом и Владиславом Куриловичами.
Использование фразы «на основе квантовой ямы» указывает на наличие тонкого слоя теллурида ртути, HgTe, между пленками теллурида кадмия, CdTe. Эти материалы обладают различными квантовыми свойствами, что препятствует свободному перемещению электронов внутри слоя теллурида ртути за его пределы. Электроны, как бы оказываются в «яме-ловушке», выход из которой требует наличия энергии, достаточной для преодоления ее «стенок.
Игорь Бурмистров отметил, что особенность задачи заключалась в том, что взаимодействие магнитных атомов в топологическом изоляторе, в зависимости от их расположения, проявляется либо как металлическое (при нахождении обоих атомов у границы), либо как полупроводниковое (если оба атома находятся на удалении друг от друга)».
По словам исследователя, двумерные топологические изоляторы характеризуются тем, что квазичастицы движутся в плоскости, что обусловлено значительной энергией размерного квантования в квантовой яме. Квантование – это явление, при котором энергия системы ограничена определенными значениями, а размерное квантование проявляется при уменьшении размеров системы. В очень тонких слоях или полосках вещества частицы демонстрируют поведение, отличное от такового в традиционных образцах, таких как кусок медного провода или полупроводниковый кристалл.
Теоретический анализ позволил предсказать новый вид косвенного обменного взаимодействия между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе. Оно имеет сходство с аналогичным взаимодействием, наблюдаемым в металлах, но в то же время проявляет черты, характерные для полупроводников. Это необычное сочетание определяет взаимодействие пар магнитных атомов, где один из них расположен вблизи границы, а другой – на удалении от нее. Полученные результаты не имеют непосредственного практического применения, однако они значимы для изучения воздействия магнитных атомов на электрический ток, движущийся вдоль границы двумерного топологического изолятора.