Учёные продвинулись в применении топологических изоляторов — веществ с необычными электрическими характеристиками, не так давно бывшими лишь теоретической концепцией.
Физики из МФТИ и Института теоретической физики им. Ландау РАНСделали ещё один шаг к использованию топологических изоляторов. Выяснили, как в таких материалах происходит взаимодействие атомов магнитных примесей.
Топологические изоляторы — открытие физики XXI века. Изначально предсказанные теоретически, их обнаружили экспериментально позже. Внутри такого материала свойства похожи на полупроводников, а на поверхности – на металла: например, по такой поверхности свободно протекает электрический ток. Сейчас этот новый класс материалов изучают во всем мире, в том числе в МФТИ. Ожидается, что необычные свойства топологических изоляторов найдут применение при создании электронных схем с минимальными потерями на тепло, квантовых компьютеров и других перспективных устройств.
Для создания полезных устройств на базе топологических изоляторов важно знать, как различные недостатки их структуры, например наличие атомов с не нулевым магнитным моментом, влияют на их свойства. Магнитный момент указывает величину магнитного поля, которое может создавать атом.
Взаимодействие атомов железа или марганца между собой давно исследуется в различных материалах. В металлах такое взаимодействие называют «взаимодействием Рудермана — Киттеля — Касуи — Йосиды» в честь теоретиков, первыми изучивших его в середине 1950-х годов.
В полупроводниках взаимодействие магнитных атомов называется «косвенным обменным взаимодействием». Теоретически его впервые исследовали Бломберген и Роуланд в 1955 году. Значительный вклад в изучение косвенного обменного взаимодействия внес советско-американский физик, нобелевский лауреат Алексей Абрикосов. Понимание косвенного обменного взаимодействия — энергии связи магнитных атомов, ее зависимости от расстояния и температуры — позволяет предсказывать упорядочивание магнитных моментов этих атомов при низких температурах в данном веществе.
В новом исследовании, опубликованном в научном журнале… Physical Review BУченые исследовали взаимодействие атомов с ненулевым магнитным моментом, находящихся рядом с границей двумерного топологического изолятора. Игорь Бурмистров (сотрудник ИТФ им. Л. Д. Ландау РАН и лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ) вместе с Павлом и Владиславом Куриловичами, студентами пятого курса кафедры теоретической физики факультета общей и прикладной физики МФТИ, изучал косвенное обменное взаимодействие между атомами марганца в двумерном топологическом изоляторе на основе квантовой ямы CdTe/HgTe/CdTe.
Фраза «на основе квантовой ямы» обозначает наличие между пленками теллурида кадмия (CdTe) тонкой полосы из теллурида ртути (HgTe). Электроны в этой полосе, из-за разных квантовых характеристик материалов, не могут свободно переходить за ее границы.
Согласно Игорю Бурмистрова, специфика задачи состояла в том, что взаимодействие магнитных атомов в топологическом изоляторе зависело от их расположения: как в металле, если оба атома находятся у границы, или как в полупроводнике, если оба атома находятся вдали от границы.
Исследователь рассказал и о особенностях двумерного топологического изолятора: движение квазичастиц происходит в плоскости из-за большой величины энергии размерного квантования в квантовой яме. Квантование – это эффект, при котором система может иметь энергию только с определенными значениями, а размерное квантование наблюдается при ограничении размеров системы. В очень тонких слоях или полосках вещества частицы ведут себя иначе, чем в обычных образцах вроде куска медного провода или полупроводникового кристалла.
Теоретический анализ позволяет предсказать новый тип косвенного обменного взаимодействия между магнитными атомами в двумерном топологическом изоляторе. Оно напоминает взаимодействие в металлах, но имеет черты типичной для полупроводников картины. Такое необычное сочетание определяет взаимодействие пар магнитных атомов, один из которых находится рядом с границей, а другой — вдали от нее. Полученные результаты не имеют прямого практического применения, но важны для дальнейшего изучения влияния магнитных атомов на распространение электрического тока вдоль границы двумерного топологического изолятора.
