Санкт-Петербургский университетНаука
Объединяя противоположности
Физики СПбГУ меняют структуру магнитных топологических изоляторов, чтобы создавать электронные устройства будущего, а также элементы для квантовых компьютеров.
Магнитными топологическими изоляторами ученые во всем мире интересуются давно. Это материалы с уникальной двойственностью: внутри (в объеме) они ведут себя как изоляторы, то есть не проводят ток, а снаружи (на поверхности) — как электропроводники.
«У этих материалов много особенностей. Например, за счет управления внутренним магнетизмом можно менять их свойства, — отмечает Дмитрий Алексеевич Естюнин, старший научный сотрудник СПбГУ (лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем), ассистент кафедры электроники твердого тела СПбГУ. — Кроме того, все электроны, движущиеся вдоль края магнитного топологического изолятора, имеют строго определенную ориентацию спина (направление движения электрона. — Прим. ред.), что не дает им рассеиваться на участках с дефектами. То есть электропроводность материала не меняется даже при наличии в нем мелких повреждений». Также благодаря определенной ориентации спинов электронов, движущихся по краю, спиновые токи оказываются разделены. За счет этого магнитные топологические изоляторы подходят для устройств спинтроники. В таких приборах перенос информации осуществляется не зарядом электрона, как в к лассических электронных схемах, а его спином. Этот механизм позволяет повысить скорость и плотность передачи данных, а также снизить энергопотребление и размеры устройств. Считается, что в будущем спинтроника придет на замену кремниевой электронике.
Вместе с коллегами из Университета Дмитрий Естюнин изучает возможности магнитных топологических изоляторов, в частности структуры с формулой MnBi2Te4. Данный материал был открыт именно в СПбГУ, и сегодня ученые работают над оптимизацией свойств этого материала и созданием элементов на его основе для использования в устройствах спинтроники.
Найти и усовершенствовать
Как рассказал Дмитрий Естюнин, сначала магнитные топологические изоляторы пытались получить путем добавления в обычные топологические изоляторы примесных соединений с магнитными свойствами. Такой подход был результативным, но имел недостатки: внедрение примесей нарушало кристаллическую структуру и ухудшало качество. Кроме того, увеличение концентрации примесных соединений, усиливающих магнитный эффект, лишало изолятор топологических свойств.
«Стало понятно, что нужно идти от обратного и искать соединения, уже имеющие магнитные свойства, определенный тип упорядочения атомов и нужную симметрию, а затем создавать способы реализации в них топологической фазы», — отмечает ученый.
В результате длительных поисков и расчетов исследователи СПбГУ нашли структуру, соответствующую данным требованиям, — MnBi2Te4. Последующие эксперименты подтвердили ее уникальность. Оказалось, что в случае этого материала не нужны дополнительные манипуляции для создания топологического порядка и магнетизма.
«MnBi2Te4 — первое соединение, которое естественным образом проявляет топологические и магнитные свойства, то есть без добавления каких-либо примесей, — говорит Дмитрий Естюнин. — Также были найдены его гомологи MnBi4Te7 и MnBi6Te10, обладающие теми же характеристиками, но отличные по химическому составу».
Сегодня ученые СПбГУ создают методики управления электронной структурой и проводимостью MnBi2Te4 для возможности точной настройки физических свойств материала. В частности, изучают, как добавление различных элементов (легирование) влияет на его свойства.
Так, в рамках одной из недавних работ физикам Университета удалось заместить в кристаллической решетке MnBi2Te4 марганец (Mn) на свинец (Pb). В ходе эксперимента ученые добавляли небольшие количества свинца в материал, а затем оценивали изменения электронной структуры с помощью метода фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением. Он позволил напрямую наблюдать за перестройкой зонной структуры и контролировать появление или исчезновение характерных топологических состояний на поверхности.
В результате добавление свинца привело к повышению качества материала. При этом исследователям удалось сохранить кристаллическую упорядоченность и стабильность структуры, а также уменьшить количество дефектов.
Помимо свинца, физики СПбГУ также проводили легирование MnBi2Te4 другими элементами IV группы Периодической системы — германием (Ge) и оловом (Sn). Эти примеси позволили изменить магнитные характеристики и повлиять на величину запрещенной зоны, от которой зависит электропроводность.
Простор для исследований
По словам Дмитрия Естюнина, сегодня ученые СПбГУ продолжают экспериментировать с MnBi2Te4. В частности, с размером его запрещенной зоны. Они хотят сделать ее меньше, в частности, чтобы еще больше увеличить электропроводность всей структуры. Также физики изучают, как можно управлять магнитными свойствами материала, чтобы настраивать его под определенные задачи, в том числе для работы в устройствах спинтроники.
Параллельно исследователи развивают еще два направления. Одно из них — метод синтеза объемных кристаллов магнитных топологических изоляторов, который позволит в лабораторных условиях создавать их для научных исследований. В рамках второго направления ученые осваивают способ молекулярно-лучевой эпитаксии для выращивания тонких пленок MnBi2Te4 и родственных ему соединений уже для масштабного производства.
Также дополнительно ученые ведут поиск технических решений, необходимых для создания прототипа спинового фильтра, нужного для избирательного пропускания или блокировки спинов электронов. В частности, физики разрабатывают методики нанесения дополнительных функциональных слоев на поверхность топологического изолятора с сохранением его упорядоченной структуры и электронных свойств.
От спина к кванту
Как рассказал Дмитрий Естюнин, магнитные топологические изоляторы востребованы не только в спинтронике, но и в квантовых технологиях. Так, на основе структур «топологический изолятор — сверхпроводник» с использованием фермионов Майораны (частиц, которые являются собственными античастицами. — Прим. ред.) можно создавать защищенные кубиты — потенциально более стабильные элементы квантового компьютера.
«Некоторые топологические изоляторы, например материалы семейства Bi2Te3, имеют хорошие термоэлектрические свойства, за счет чего они способны преобразовывать тепловую энергию в электрическую и наоборот. Это делает их привлекательными для применения в автономных источниках питания. Сегодня названные структуры уже используются в устройствах для перевода тепловой энергии в электрическую», — отмечает Дмитрий Естюнин.
По его словам, магнитные топологические изоляторы могут использоваться еще и в метрологии — в качестве новых эталонов для измерения сопротивления тока. Особенно в условиях, где важно исключить влияние внешних магнитных полей и получить данные с очень высокой точностью.
Важно
Ученые СПбГУ в рамках работы по изменению свойств магнитного топологического изолятора MnBi2Te4 использовали оборудование ресурсных центров Научного парка Университета, в частности Центра диагностики функциональных материалов для медицины, фармакологии и наноэлектроники, центров «Нанотехнологии» и «Физические методы исследования поверхности».
СПбГУ в деле
Благодаря сильному спин-орбитальному взаимодействию магнитные топологические изоляторы способны эффективно переносить спин электрона и управлять им, что открывает путь к созданию устройств памяти нового поколения (SOT-MRAM), которые работают с меньшими энергозатратами и обладают большей стабильностью и быстродействием.
Недавно физики СПбГУ предложили свою модель SOT-MRAM. Ее можно использовать для создания более производительных компьютерных составляющих в области спинтроники. Разработка составит конкуренцию продуктам зарубежных компаний и поможет России достичь интеллектуальной независимости. Подробнее на сайте «СПбГУ в деле».
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl